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CIBF丨冀亚娟亿纬锂能软包电池已做到投产即盈利

2021-07-01 22:57:50| 来源:| 编辑:| 点击:9次

CIBF丨冀亚娟:亿纬锂能软包电池已做到投产即盈利

2021年3月18日,由中国化学与物理电源行业协会动力电池应用分会联合电池中国网共同举办的第二届新能源汽车及动力电池(CIBF深圳)国际交流会在深圳隆重召开。大会期间,惠州亿纬锂能股份有限公司基础材料与技术研究室主任冀亚娟以《亿纬锂能动力电池材料技术研发进展》为题发表了主题报告。

以下为演讲实录:

大家下午好,我是来自惠州亿纬锂能股份有限公司的冀亚娟,非常荣幸有机会在这里跟大家分享一下我们公司的材料技术研究进展。我的报告将主要从以下四个方向。

首先是动力电池的发展现状。动力电池技术的发展是基于政策的需求、知识的技术变革,现在最大的政策需求就是习主席提出来在2030年实现碳达峰,2060年实现碳中和,这样的目标背景下,相信近年一定会重塑能源结构,不管是能源供给侧还是能源的需求侧都有大的变革。对我们做动力电池的来说,在这样一个大背景下,能做的事情有哪些呢?可以看看右上角这张图,它是我们现在传统燃油车和新能源车在碳排放上,新能源车可以做的事情。

传统燃油车二氧化碳排放量是10%以上的水平,现在推动新能源汽车,它可以达到什么水平呢?是比较宽的范围。从10%到负90%。为什么有这么宽的范围呢?原因也很简单,在开能源车的时候实现了碳减排,但是充电的时候,电还是来源于火力发电,二氧化碳就没有作出贡献的。这也是要求在能源供给侧,在未来发展更清洁的能源,包括氢能、太阳能、风能等等。

我们认为碳中和这样的战略奠定了中国新能源汽车和储能的发展基调。在这样一个背景下,国内和国外对于锂离子动力电池市场发展的调研,我们认为电动化的趋势是会提前到来的,应该在2023年甚至是更早就会进入TWH的时代。在这么一个大的需求下,看一下动力电池技术路线是怎么选择的。

从右上角这张图可以看到,在未来铁锂电池和三元电池将长期并存的状态,因为铁锂电池能量密度的提升。近几年由于刀片电池和CtoP的出现,它的能量有很大的提升。从三元的角度,长期高比能是发展的态势,高镍化会成为主流。

接下来跟大家简单地介绍我们公司在动力电池的战略布局,我们什么电池都做,不仅是锂元电池,在动力电池方面也什么都做,磷酸铁锂电池今年是23GWH,在动力电池有50%的份额,在储能上有百分之百的份额,它的市场非常大,磷酸铁锂的布局就是非常快的增速。在2022年45GWH,2024年将会达到140GWH。软包电池上,我们的产能到2024年是在40GWH。通常做电池很少能赚到钱,我想补充一句,我们去年做软包电池就挣钱了,而且是投产即盈利,这是非常难做的事情。

在三元电池方面,今年产能是8GWH,2024年达到16.5GWH。圆柱电池不是18650电池,这个电池市场是在电动工具的市场。我们布局的是46800和46950这两个大圆柱电池,预计2023年进行产能释放20GWH,2024年达到40GWH。亿纬锂能始终坚持以市场为导向,为客户提供全面解决方案。

第二个部分简单介绍一下软包电池的技术路线,这个图是供给客户的软包设计,我们知道软包设计最大的优势是结构决定了它有高的比容量,这是相对的化学体系设计下,它比方壳电池有非常大的优势,能量密度有至少50%的提升。还有循环寿命有很大优势,我们的测试结果比方壳电池至少提升10%。循环过程当中有很低的膨胀。这是软包电池的优势。前面很多人都讲到了高安全特性,这也是基于铝塑膜软包装的结构,因此安全的边界会比较好一些。在发生热失控的时候,它不会发生剧烈的爆炸,但同时存在问题,因为单体安全性好,但是模组不好,很容易发生热蔓延。还有软包电池尺寸灵活,可以定制化开发。因为软包特性是内阻低,在功率特性上就有很大的优势。

我们认为全自动化、高度一致性是我们公司产品的优势,因为我们现在采用的是全自动化的设备和先进的管理系统,所以产品自动化程度是非常高的。另外,一致性也是做得非常好,公司从2018年开始就一直坚持管理线,对粉尘进行管理,对螺丝、毛刺、焊芯进行全链的管理。软包生产链的直通率可以达到96%。

接下来给大家分享一下公司三元产品在乘用车市场的技术路线,也是分了两块:1.BEV市场。有240到280到320的提升过程,材料选择没有太大的差异,目前在推的方型三元是高电压的材料体系,选择中镍的单晶材料。2023年将主推方型电池,铁锂和三元是一半的市场布局。2023年之后,我们会逐步地把大圆柱电池和软包电池进行市场的推广,并且认为在未来因为能量密度进一步提升,它肯定是高镍低钴的态势和高硅的材料体系。

2.PHEV,软包是有独特的优势,现在和未来都会推进软包电池和方壳电池同时进行。

下面介绍一下电池材料的研究进展,这边是现在的技术状态,产品是300Wh/kg的,它是两端的设计,在常温的条件下,数据是能够支持3000圈的循环寿命,而且客户反馈它的循环寿命比铁锂更有优势。在45摄氏度下,同样达到1000周的使用寿命。

这张图展现了产品的快充特性,采用阶梯充电的模式,可以在18分钟内完成10SOC-80SOC的速度,经过10次快充的测试,也能看到它的界面都是非常好的,不会存在析锂的问题。未来的目标是实现9分钟的快充。提到高比能的电池,尤其是高镍电池的体系,大家都非常担心的安全问题,材料端也是有新的安全技术的突破,主要是采用了另外一种安全性能更高的材料,但它不是磷酸铁锂。在高镍材料复合使用,只需要少量掺杂就能看到软包电池单纯使用高镍的时候,针测是通不过的,会发现鼓胀现象。软包电池过针刺还是比较难的,其他的测试都能过。除了这个优势之外,材料的使用还解决了另外一个问题,就是高镍材料使用过程当中正极界面高氧化型会带来电解液的持续氧化,从而带来界面的持续分解。在高镍材料体系应用过程当中,高温循环和高温存储有瓶颈,我们的技术同时也解决了这两个瓶颈。

下面是350Wh/kg的平台研发进展,只初步展示一下循环的数据,在0.33C充0.5C放的情况下,循环寿命不算很长,我们觉得350Wh/kg的项目还有很多的工作要做。在这里也简单地从以下4个方向做一下分享。

首先,我们认为要实现350Wh/kg的时候,肯定需要更高的镍材料的体系,这时候正极界面稳定性会尤为重要,我们认为在高镍材料的体系下,会更倾向于选择镜像生长的结构,这样就能提高材料的抗压性能。要实现这样一个更高比能的情况下,硅极比能会提升,至少达到15%。极负极低首效、高膨胀、循环都是一系列的问题,最重要是膨胀的问题,如何在材料的设计端就给它预留材料膨胀的空间,这个是非常关键的技术路线。我是选择什么样的石墨去做复合,硅材料要做到多少纳米,几个纳米还是几百纳米还是几十个纳米,都对它的膨胀有相关性。在这样一个体系下,电解液一定跟传统的电解液有大的变化,我们的技术会发展不含EC的电解液体系,还有安全电解液的开发。还有功能材料,因为电极的设计不仅涉及到主材,还有功能材料,还有黏结剂、导电剂,它对于功能是否发挥优很大的作用。这个材料是小而美的材料,不是小就不重要,而是有关键的作用。在高镍材料应用过程当中,正极材料的碱性进一步提升,那黏结剂耐碱性怎么样,在极片厚的时候,黏结剂能否支持厚电极的作用?所以黏结剂会有很大的变化。负极材料也是一样的问题,在这里就要做更高强的黏结剂的开发。

前面是介绍基于传统的锂离子电池的升级,在这里跟大家简单介绍一下固态电池的进展,固态电池都认为可以从根本上解决电池安全问题的新技术,而且我们认为它在2025年甚至是2027年,它是有望在动力电池领域实现规模应用的技术。公司固态电池的研究技术路线是这样的,在第一代产品是聚合物类固态电池的研究,产品首先要实现室温下的稳定运行,将产品优先应用到硅电池的运营,因为有一些新的小电池,比如说医疗电池会优先在这个领域实现应用。第二代产品会进一步开发固态化的界面技术,实现全固态的应用,这个产品是在高端的消费类产品的应用。在第三代产品上,会进一步提升界面的稳定性,在这时候也会采用氧化物和聚合物复合的技术路线,进一步提升锂电解质的耐氧化型,并且有很好的柔性,不至于降低脆性。在这里也会重点去研究固态电池生态的设备,包括工艺的攻关。电池制作跟液态电池有很大的区别,这是我们要做的东西。总体来说,我们的研究进展是渐进式的,因为我们觉得固态电池不可能那么快在动力电池实现应用的。

这是全固态电池现在的实验结果,初步实现了室温下的混电运行,这个电池也是叠片的小软包电池,大概230mAH。

这是更高比能的进尺进展,固态技术成熟之后,负极就直接由石墨到了锂金属负极,在锂金属负极有很强的技术积累。这个是美国客户测试的结果,采用高比能锂金属电池,它可以将无人机的飞行时间由15秒延长到27秒,整整延长了27%的飞行时长。

前面这些都是传统的锂离子电池发展路线,前面这些技术路线的储备可以保证我们在未来5年的技术领先性,也会思考在未来10年之后怎么保证自己的技术还是有充分的领先性。在这里简单给大家介绍另外两个技术布局,因为这就涉及到下一代坚持了,第一个是锂硫电池研究,锂硫电池能量密度是330Wh/kg,单纯看能量密度可能跟传统电池的高比能有差距,我想说的,在研究过程当中实现高载量硫正极电极技术,正极材料全部是由自己在做相关的研发。另外一个技术是燃料电池技术,这个是由汪博士带队的研究成果,优势是国内唯一一家生产和销售碱性膜锂离子电池的企业,而且膜是自主创新的碱性离子交换膜,这个技术带来最大的攻关就是实现了燃料电池核心材料的低成本化的技术路线,不再需要昂贵的箔金属材料,也不需要依赖于进口限制,可以自主生产。这个技术也可以用到电解水制氢,氢能的供给就能提供很好的技术支持。

最后做一个简单的总结和展望:1.战略。亿纬锂能不做技术选择,我们认为技术是有好有坏,但肯定能找到最合适的应用市场。所以,我们是方型电池、软包电池、圆柱电池会做,三元电池做,铁锂电池也会做,客户有什么需求就会提供什么样的产品解决方案。2.安全。软包电池是单体层面有安全优势,但是系统方面会存在热蔓延的劣势,我们会在系统方面做一些相关的工作,但是,这并不影响下一代电池产品的颠覆,有可能这种大圆柱产品就能直接解决热蔓延的问题,大圆柱电池有很好的水平,并不会取代软包电池很大市场份额。开发固态电池新技术,解决安全电池的问题,可以做到电池随便用。3.材料。要做好内外兼修,从自身内部公司强调加强基础材料和技术的研发,我们会投入很大的人力、物力和资金做相关的技术研究。其次,也会加强跟国内外知名的校企合作,让学校老师的科研成果更好指导我们对材料的解读和应用的能力。另外,我们也会积极与国内先进的材料企业进行深度合作,欢迎做材料、做技术的供应商与我们一起来做这样一件事情。以上就是我的报告,谢谢大家。

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

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