孚能科技330Wh/kg高能量密度電池技術(shù)解析

時間:2021-04-07 10:28來源:鋰想生活 作者:堃博士
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       2021年4月1日，孚能科技（贛州）股份有限公司發(fā)布公告指出公司研發(fā)出可達到330Wh/kg高能量密度電池。本文根據(jù)自己的電池設(shè)計經(jīng)驗和公開資料對330Wh/kg高能量密度電池技術(shù)進行解析。

 

       孚能科技總部在美國能源部的資助下，從2017年開始開展一項電動汽車用的高能量密度電池項目。項目重點在于解決實現(xiàn)高容量、長循環(huán)壽命和更安全鋰離子電池的關(guān)鍵科學與技術(shù)問題，總體的技術(shù)目標為：
       ▪ 第1年：基準電池，能量密度220Wh/kg
       ▪ 第2年：第1代電池（300Wh/kg）
       ▪ 第4年：第2代電池（330Wh/kg）（原定目標400Wh/kg，降低至330）
 
       為了實現(xiàn)以上目標，首先需要選擇與優(yōu)化正負極材料，在不同正極材料容量（180-240mAh/g）條件下，負極材料容量與電池能量密度的關(guān)系曲線如圖1所示。為了實現(xiàn)330Wh/kg的目標，采用穩(wěn)定高鎳陰極，容量為200-240 mAh/g；采用硅復合材料作負極，容量為400-600 mAh/g；電解液配方采用氟化溶劑、開發(fā)穩(wěn)定添加劑和鋰鹽；優(yōu)化高密度的復合活性材料配方；選擇低副反應(yīng)的導電添加劑、先進的粘合劑配方；采用先進的隔膜：陶瓷涂層、高電壓穩(wěn)定性。
 
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圖1 在不同正極材料容量（180-240mAh/g）條件下，負極材料容量與電池能量密度的關(guān)系曲線
 
       高能量密度電池基本設(shè)計參數(shù)如表1所示，基準電池為230 x 160 x 6mm的軟包電池，容量為28.5Ah。第一代電池能量密度達到300Wh/kg，采用基準電池一樣的尺寸，容量約40Ah。第二代電池容量87Ah，尺寸為294.4 × 100.4 × 14，能量密度達到330Wh/kg。
 
表1  高能量密度電池基本設(shè)計參數(shù)
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       首先，他們采用單片軟包電池對大量的正極、負極材料，導電添加劑，粘結(jié)劑和電解液等進行了選擇與評價。
 
       正極材料評價與開發(fā)
 
      電池的能量密度目標是> 330 Wh/kg，評價了6種正極材料，主要是高鎳材料，如高壓NCM，含有富鋰錳基的NCM和高鎳NCA等，容量目標＞200 mAh/g，正極材料的容量和首效如下圖所示。
 
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       負極材料評價與選擇
 
       為了實現(xiàn)電池的能量密度目標> 330 Wh/kg，采用硅基負極，比如Si合金，SiO，Si納米線和Si納米顆粒，首效需要＞90%。3種負極材料的容量和首效如下圖所示。
 
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       使用相同的高鎳正極材料，匹配3種不同的硅基負極，制作500mAh的單片軟包電池。不同硅基負極電池的循環(huán)壽命如下圖所示，0.5C充電/1C放電 CV C/20 (3-4.2V) @ 30℃條件下，S2電池循環(huán)800次容量維持率＞80%。
 
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       電解液與粘結(jié)劑等采用不同的電解液和負極粘結(jié)劑，電池循環(huán)曲線如下圖所示。電解液E1，并且加入添加劑，負極不采用CMC/SBR粘結(jié)劑的電池循環(huán)性能最好。
 
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       根據(jù)以上信息推斷，孚能科技公告的330Wh/kg的高能量密度電池，正極采用克容量大于200mAh/g的高鎳正極材料，比如三元材料Ni90，負極采用硅碳復合材料，克容量＞500mAh/g，首效＞90%，負極不采用CMC/SBR粘結(jié)劑，可能是PAA基粘結(jié)劑。電解液采用氟化溶劑（FEC）、并添加穩(wěn)定添加劑。電池容量87Ah，尺寸為294.4 × 100.4 × 14 mm的軟包電池。

(責任編輯：子蕊)
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