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蜂巢能源 李子郯:《蜂巢能源無鈷正極材料開發(fā)進展及應用》

編輯:賀勵集團 來源: 發(fā)表時間:2022-04-03 02:30:52 關注 次 | 查看所有評論

7月7日,2021中國國際鋰電產(chǎn)業(yè)大會(簡稱金磚鋰電論壇)在上海汽車會展中心順利召開。本屆金磚鋰電會議為期兩天,主題為以“新技術、新應用、新發(fā)展”為主題,采用“會議論壇+展覽展示+體驗營銷”三位一體的創(chuàng)新模式,多項重點活動同期同地舉辦,充分協(xié)同聯(lián)動,品牌效應和影響力大幅提升。

 
李子郯出席論壇并發(fā)表主題演講——蜂巢能源無鈷正極材料開發(fā)進展及應用》。
 
 李子郯

以下為演講實錄:

主持人:感謝李博士的精彩分享,李博士從材料全球的形式以及不同材料的情況給大家做了分享,我相信大家對于行業(yè)未來材料的突破也會非常關注,也請大家多關注主辦方和李博士、行業(yè)的情況。接下來有請蜂巢能源科技有限公司總經(jīng)理-李子郯給我們帶來《蜂巢能源無鈷正極材料開發(fā)進展及應用》。

李子郯:謝謝主辦方邀請,讓我跟同行分享一下蜂巢能源在層狀無鈷材料的開發(fā)進展和應用。

今天我分享的內(nèi)容就這五部分:

1、無鈷正極材料介紹

2、無鈷正極材料開發(fā)進展

3、無鈷電池開發(fā)進展

4、無鈷正極材料發(fā)展方向

5、蜂巢能源公司介紹

圖片

一、無鈷正極材料介紹

無鈷正極材料從廣義上講,沒有裹(音)的都是無鈷正極材料,包括磷酸鐵鋰、磷酸鐵錳鋰,還有尖晶石錳酸鋰、尖晶石鎳錳酸鋰、無鈷富鋰錳基的正極材料。

今天著重講類似于鈷酸鋰和三元材料相同結構的層狀結構無鈷材料,實際上把三元的鎳鈷錳的鈷直接取掉,變成二元的鎳錳酸鋰。

大家可以看到,各種無鈷正極材料的能量密度,層狀的大約能到70Wh/kg,富鋰錳基的錳最高,尤其是無鈷、低鎳的,其實目前的研發(fā)進展有諸多的缺點,主要是電壓降、循環(huán)差,可能還是需要著重解決的問題。   

最后的鎳錳酸鋰是尖晶石型,它是5V的,其實電壓平臺對于石墨來講是4.5V。這款材料從材料層面講,鎳錳酸鋰開發(fā)得相對比較成熟,目前我們實驗室開發(fā)的,做到B樣的鎳錳酸鋰,1C容量達到將近140。

其實理論容量密度148,跟尖錳一樣,所以材料做得很好,現(xiàn)在等待我們有5V的電解液支持。

如果有高電壓電解液來支持的話,其實這款材料的能量密度甚至比磷酸鐵鋰高40%,成本和磷酸鐵鋰差不多。如果有高電壓電解液出現(xiàn),這款鎳錳酸鋰的低成本還是很有希望的。

這是層狀無鈷二元材料的結構,跟鈷酸鋰一模一樣,六方晶體結構。大家從三元熱穩(wěn)定性的相圖可以看到,顏色越深,熱穩(wěn)定性越好。

如果把鈷去掉,我們就在下面那條線,鎳錳的比例處于中間值,比如0.5、0.65、0.75,熱穩(wěn)定性很好,不像大家說的沒有鈷,熱穩(wěn)定性不好,其實去掉鈷,做出來的材料熱穩(wěn)定性還是很好的。

我們從XRD得到無鈷正極材料氧離子混排比較高,尤其是鎳越多,氧離子混排越多,最高能達到7%、8%以上。尤其是摻雜元素的選擇,還有摻雜的工藝,盡量把去掉鈷的二元材料的氧離子混排效率減下來。

這是國際上層狀無鈷材料研發(fā)的進展,二元的層狀無鈷材料在十多年前就開始開發(fā),日本的專家做5050中鎳的無鈷層狀材料,在4.5V高電壓的情況下,發(fā)揮到200mAh/g,但循環(huán)比較差。

美國教授用離子交換法,也是5050,容量也是不錯,但是倍率還是比較差。再一個離子交換法大批量量產(chǎn)的工藝非常困難,不如目前常見的高溫固相反應法。

美國Goodenough教授也做過,他的理論是鎳含量在55左右,發(fā)揮的性能***,而且循環(huán)非常好。

近年來,國內(nèi)往高鎳、超高鎳方向去發(fā)展。他們的實驗結果得出,在超高鎳的情況下,在鈷摩爾比(音)小于、等于5%的情況下,有鈷和沒鈷都一樣,甚至有鈷起到相反的,對性能優(yōu)損害的作用,這個可能需要我們各個同行在超高鎳加以檢驗,到底有鈷性能更好,還是無鈷性能更好。

實際上從成本上講,比如鎳在95%左右,成本上有鈷、沒鈷差不多,成本相差很少。

二、無鈷正極材料開發(fā)進展。

下面我著重介紹一下我們公司的層狀無鈷材料開發(fā)進展,從四部分作為材料設計:

1、前驅(qū)體選擇。

我們自己有自己的前驅(qū)體開發(fā)實驗室,***個就是單晶化,這也是目前國內(nèi)三元材料走得一條很好的道路,單晶高電壓化,現(xiàn)在市場上中鎳5系、6系高電壓的產(chǎn)品越來越多,而且裝車的Park電池系統(tǒng)越來越多。

比如613做到4.4V,1/3 C的容量已經(jīng)到190以上,跟現(xiàn)在的4.2V 8系能量密度幾乎差不多。

2、元素比例。

剛才我從三元熱穩(wěn)定相圖可以看出來,鎳含量在50-80%之間做一個選擇,也可以做成系列化。

3、摻雜。

摻雜是鈷去掉之后,我們選擇什么樣的元素摻雜,取代鈷在結構里起的作用,這是很重要的。

4、包覆。

包覆是所有正極材料,包括磷酸鐵鋰是增加電導率。二元無鈷材料的包覆主要起到減少電解液的副反應,尤其是高電壓的體系。

從這四部分,我們著手材料設計,這是早期開發(fā)的高鎳無鈷材料,這是多晶的,大概10個微米。

0.1C模擬電池、半電池容量可以達到208mAh/g,循環(huán)性能50次循環(huán),還是在97、98左右。

這是無鈷中鎳,大約在50-60%鎳含量,循環(huán)性能幾乎不衰減,比高鎳的循環(huán)性能強多了,同時DSC的峰值溫度將近250度,體現(xiàn)出來熱穩(wěn)定性非常好。

這款是中高鎳的單晶產(chǎn)品,這也是蜂巢能源今年第二季度量產(chǎn)的材料,我們在模擬電池0.1C可以發(fā)揮在190mAh/g,EC在170-175之間。

如果做成實際電池,方形電池三分之一C常溫的容量可以保持在180mAh/g,能量密度可以做到245Wh/kg,比8系的電池低3-5%的樣子。  

三、無鈷電池開發(fā)進展。

首先蜂巢能源在1.5倍的MEB這款電芯上開發(fā)無鈷電池體系,這是C樣,現(xiàn)在已經(jīng)循環(huán)到1500-1600次,大約能保持在90%左右。

我們的A樣已經(jīng)循環(huán)到2500次,還保持在80%以上。這款材料在4.3V,比8系的體系高0.1V。突出的優(yōu)點,一個是循環(huán)性能比8系強多了,至少達到2500次以上,高溫循環(huán)也非常好,能達到1500次以上。

這是常溫和高溫的內(nèi)阻性能,大家經(jīng)常說缺了鈷,是不是對于電子導電率和離子導電率都有影響?比如選擇導電強的包覆劑,可以彌補鈷缺失的功率表現(xiàn),實際電池的功率還是非常不錯。

這是低溫的,零下20度的電池表現(xiàn)確實比三元電池來得差一些。

這是安全性能的測試,首先這是熱箱,在130度輕輕松松過了,防爆閥沒有打開,也沒有起火爆炸,電池還是保持原樣。

在150度的情況下,熱箱防爆閥打開了,但是沒有明顯的火苗產(chǎn)生,所以安全性比8系好得多,8系電池140度熱箱過可能還是比較危險的。

這是過充,我們在140%的SOC過充,其實防爆閥打開了,但是沒有起火,沒有明顯的火苗,這款電池就是1.5倍的MEB電芯。

這是針刺,蜂巢能源采用疊片的工藝,所以電池里都是一片一片的,針刺的七層測試之后電池保持原樣,沒有起火,沒有明顯的熱失控。

這是人為短路,短路的情況下,60度的環(huán)境下,通過人為短路,防爆閥沒有打開,電池保持原樣,沒有發(fā)生爆炸。

從過充、針刺、短路等所有實際電池的表現(xiàn),我們覺得比811體系的電芯安全性能好得多。

四、無鈷正極材料發(fā)展方向。

首先無鈷層狀繼續(xù)迭代,我們把鎳盡量往下壓,能把成本盡量降下去,同時提高電壓,能保持能量密度的不變。比如說現(xiàn)在是70%的鎳,降到50%的鎳,同時提高電壓,能量密度保持不變,成本也能下降10%左右。

第二個是無鈷富鋰的正極,同時在做低鎳的無鈷富鋰,還有無鎳的無鈷富鋰,是純錳。錳這方面,北京大學的夏教授用離子交換法做的純錳酸鋰性能還是不錯,容量幾乎能達到250mAh/g,就是循環(huán)、電壓降是著重要解決的問題,在持續(xù)開發(fā)。

第三個是無鈷尖晶石鎳錳酸鋰,從正極材料端來講還是相對比較成熟,以后看有高電壓電解液繼續(xù)開發(fā)電池體系、平臺體系。

五、蜂巢能源公司介紹。

蜂巢能源是2018年才成立,算是行業(yè)里的新軍,它是在2013年長城汽車底下建的動力電池事業(yè)部,經(jīng)過五年的醞釀、發(fā)展,于2018年獨立出來,脫離于長城汽車,現(xiàn)在是長城汽車的兄弟公司,算是衛(wèi)董事長的二次創(chuàng)業(yè)。

蜂巢能源還是以做電池為主,電芯、模組、Park、MBS是主業(yè)。向上正極材料也有材料事業(yè)部,專門開發(fā)正極材料。

再往上鋰鹽也布局了澳洲皮爾巴拉的鋰礦,同時在國內(nèi)也入股了一些氫氧化鋰、碳酸鋰的鋰鹽公司。

同時前驅(qū)體、硫酸鎳方面也積極布局,往下還有儲能事業(yè)部,主要做儲能這一塊,無論是磷酸鐵鋰體系,還是鈉離子體系,上個月儲能事業(yè)部用的是中國海納的鈉離子體系裝了大的兆瓦級儲能電源。

長城汽車的回收,責任主體還是歸在蜂巢能源,這是我們避不開的,回收計劃和前驅(qū)體綁定在一塊共同做。

目前蜂巢能源經(jīng)過三年多的發(fā)展,現(xiàn)在員工有4000+,其中52%是研發(fā)人員,超過500名外聘專家,已經(jīng)將近30億的研發(fā)投入,計劃在2025年要建成200G以上的電池生產(chǎn)線。

目前在四川的遂寧、安徽的馬鞍山、江蘇溧水、浙江湖州都在布局電池工廠。

這是保定的研發(fā)中心,這是蜂巢能源成立的根據(jù)地,現(xiàn)在也是最重要的技術中心。這是無錫的研發(fā)中心。

這是常州電池工廠,這是蜂巢能源***個量產(chǎn)工廠,一期4GWh已經(jīng)建完,二期8GWh三條線已經(jīng)安裝80%的進度,大約今年第三季度完全安裝完畢。

左側廠房是正極材料的工廠,我們在常州工廠和正極材料規(guī)劃2萬噸的每年規(guī)模,供給蜂巢能源22GWh電芯的需求量。

歐洲電池工廠選址已經(jīng)選定完了,在德國一個地方,前期先做一個Park廠,來共用歐洲的客戶,總投資大約20億歐元。

第二步做電芯,甚至正極材料,因為有些歐洲的客戶有硬性的規(guī)定,我買你的產(chǎn)品,電池和正極材料必須都在歐洲本土化,這是正極材料一期的生產(chǎn)線。

這是遂寧的智能制造工廠,目前已經(jīng)開建,可能正在基建過程中。

這是馬鞍山生產(chǎn)基地,在第三季度,***條無鈷電池生產(chǎn)線,即將在馬鞍山投入使用,大約在第四季度115安時的這一款無鈷電池裝在國內(nèi)客戶的某一款車上,第四季度面向客戶對外銷售。這是全國甚至全球***款層狀無鈷材料做的電池,應用到實際的汽車上。

感謝!我就介紹到這兒!謝謝大家!

(注:本文根據(jù)現(xiàn)場速記整理,未經(jīng)演講嘉賓審閱,僅作為參考資料,請勿轉載!)

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