中國儲能網(wǎng)訊：2017年10月18日-19日，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會，中國電子科技集團公司第十八研究所共同主辦，北京中涂國際會展有限公司承辦，上海恩捷新材料科技股份有限公司、深圳市新嘉拓自動化技術(shù)有限公司、廣州紅運機械冠名的兩年一屆的 “第三屆新型電池電解質(zhì)/隔膜材料技術(shù)國際論壇”（ABESF-3）在南京舉行。在“下一代鋰離子電池電解質(zhì)研究進展”分論壇上，來自美國萬向A一二三股份公司許夢清博士做了“Development of Advanced Electrolytes for Low Voltage and High Energy Lithium-ion Batteries”的主題發(fā)言。
美國萬向A一二三股份公司許夢清博士就“Development of Advanced Electrolytes for Low Voltage and High Energy Lithium-ion Batteries”進行了主題分享。
大家上午好，我叫許夢清，來自美國A123，首先非常感謝論壇主席汪繼強先生、劉興江總工及論壇組委會邀請，給我提供這樣一個機會與大家一起交流學習。
昨天的報告已經(jīng)討論很多的高能量密度電池電解液的研究情況，由于A123公司在磷酸鐵鋰體系全球領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢，我也想借此機會探討一下電解液在低電壓體系的應用。
我的報告分為四個部分，第一個部分是簡單介紹一下A123，第二個是我剛才說的低電壓體系，主要介紹一下我們的兩款旗艦產(chǎn)品，第一個是12V體系的啟動電源，第二個部分就是48V的啟停電源，再一個部分就是探討一下A123在高電壓、高比能量密度電池的研發(fā)情況，重點介紹一個是230Wh/kg，第二個是250—300wh/kg的報告。
A123是一個全球化的公司，在北美、歐洲、亞洲都有不同的基地，美國密歇根州的Livonia是我們的總部，主要是進行系統(tǒng)模塊的研發(fā)、集成。密歇根另外一個地方Romulus這是我們超級磷酸鐵鋰粉末的技術(shù)開發(fā)團隊；全球的研發(fā)中心是在美國波士頓地區(qū)的Waltham這個地方。另外一個Hopkinton我們是一個測試中心，主要是模組，大電池的測試中心；在歐洲主要有兩個地方，一個是德國的斯圖加特，還有一個是捷克的Ostrava，這兩個地方主要服務歐洲的市場在低電壓的應用。在中國有兩個地方，一個是杭州，主要是軟包電池的生產(chǎn)基地，也有一個研發(fā)中心，是輔助我們A123在美國波士頓地區(qū)的合作。另外一個在常州，主要是生產(chǎn)圓柱電池，客戶群體主要是F1賽車用戶。
大家都知道，我們?yōu)槭裁匆鲭姵?，主要是基于能源的考慮，還有一個環(huán)保的需求，A123在輕混、微混、EV還有PHEV都有涉足，主要是基于市場需求還有價格的考慮，我們在EV和PHEV，主要是三元材料體系，在微混和輕混主要是磷酸鐵鋰體系，主要是我們自己團隊粉末的開發(fā)，主要是在48V，大家知道的啟停電源，還有一個就是12V體系的啟動電源。
對于低電壓體系，我們主要的一個努力方向就是要想辦法盡可能的降低電池的內(nèi)阻，因為產(chǎn)品應用對電池功率性有非常高的要求。這就是我們的兩個旗艦產(chǎn)品，一個是12V體系的啟動電源，目前我們第三代產(chǎn)品價格已經(jīng)接近鉛酸電池，12V體系總共有12塊電池是4并聯(lián)3串聯(lián)，48V是14塊電池，是一個串聯(lián)系統(tǒng)。這個是我們剛才說過，主要是降低內(nèi)阻，從材料正級、負級、電解液以及電池的設計。第二代產(chǎn)品Ultraphosphate通過材料的研發(fā)，已經(jīng)能夠降低內(nèi)阻達到50%，下一代產(chǎn)品（我們的第三代產(chǎn)品）內(nèi)阻降低60%，同時價格也接近鉛酸電池，這個是非常有突破的地方。
這張圖給出了我們的12V體系的數(shù)據(jù)來闡明已經(jīng)完全達到了甚至超過了鉛酸蓄電池的性能，就是我們做能起的時候12V體系，這個是客戶的要求，我們在開始階段，我們是要50%的SOC，能夠在零下28度啟動發(fā)動機。在循環(huán)壽命達到80%，在EOL的時候達到90%SOC可以啟動這個電池。根據(jù)我們客戶反饋，我們的競爭對手從三元這個角度去解決的話，只有在BOL SOC在90%的時候才能啟動這個電源。這個性能相比鉛酸電池已經(jīng)完全超過鉛酸電池的性能，并且壽命是有10年。
這一個就是我們第一代產(chǎn)品電解液，因為有性能的要求，所以我們用了亞胺鋰鹽作為添加劑，成本非常高，為什么要用這個鹽呢？其一是其能夠提高電解液的熱穩(wěn)定性。我們知道傳統(tǒng)的六氟磷酸鋰/碳酸酯電解液，因為LiPF6的不穩(wěn)定性，很容易熱分解形成LiF和PF5，PF5會跟小分子的水形成三氟氧磷，以及氟化氫等等雜質(zhì)。三氟化磷會催化電解液的熱分解，這樣一個反應機理。亞胺鋰鹽可以穩(wěn)定五氟化磷（音），提高熱穩(wěn)定性。低溫也有優(yōu)勢，我們這里舉了兩個例子，第一個上面的左上圖是我們在48V伏啟停電源里面，如果我們把亞胺鋰鹽全部拿掉的話，可以看到低溫HPPC功率降了15%左右，同樣我們在啟動電源里面零下28度，也是低溫性能受到影響。亞胺鋰鹽高溫和低溫都有好處，我們面臨的問題就是要降低成本，想辦法接近鉛酸電池，所以我們就開發(fā)了第二代產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品首先我們的目標是降40%，從電解液的角度，我們怎么樣去實現(xiàn)，第一個肯定不能含亞胺鋰鹽的，F(xiàn)SI或者TFSI，我們的措施主要是引入低熔點的溶劑體系。第二個就是引入一些SEI膜形成添加劑，其形成的SEI膜DCR比較低。第三個我們也要導入一些熱穩(wěn)定性添加劑，這樣可以穩(wěn)定PF5，我們這個LiPF6分解的產(chǎn)物，因為我們不僅僅考慮低溫性能，還要考慮高溫性能。
經(jīng)過我們長時間的研發(fā)，現(xiàn)在第二代產(chǎn)品是降了40%的成本，同時電池的性能比第一代產(chǎn)品要更加優(yōu)越。這個舉了一個例子，零下28度，上面兩個圖，一個是100%的SOC，一個是50%的SOC，根據(jù)客戶的要求，都是滿足客戶的要求，并且我們可以看到第二代產(chǎn)品紅色的是比藍色更加優(yōu)越。下面這個圖是在電池壽命結(jié)束的時候，我們可以看到用100%的SOC也是可以啟動發(fā)動機的，這個是第一代產(chǎn)品。以上我們談論的低溫性能，那么電池的高溫性能怎么樣，我們做了電池的45度的循環(huán)，1.5C充/10C放，可以達到將近一千次循環(huán)，室溫可以達到兩千次循環(huán)，同樣我們也知道這個模塊里面是不能膨脹的，所以這個氣體的電池體積的增長，也是我們比較關(guān)注的一個因素，這個電池是在60攝氏度滿電狀態(tài)存儲6個月，從這個電池外觀可以看到，基本上是沒有體積膨脹的。我們通過阿基米德體積增長大概在10%左右。這個部分討論是我們啟動電源，下面一部分我們就討論啟停電源，啟停電源能不能把之前的拿過來直接用，答案顯然是不行的，啟停電源還有一個很重要的是高溫循環(huán)以及充電（Regen）的能力。我們通過一些添加劑的引入，不同添加劑的篩選，正極、負極還有穩(wěn)定劑，因為我們超級磷酸鐵鋰粉末的比表面積非常大，所以要考慮Fe的溶出問題。我們成功開發(fā)出了第二代和第三代產(chǎn)品，第二代產(chǎn)品基本上都可以滿足性能，第三代實際上比我們第二代產(chǎn)品功率更高，但是產(chǎn)氣相對有一些風險。
這個就是我們的客戶需求，兩條線，一個是最大的電阻，下面一個就是Normal DCR，可以看到我們的產(chǎn)品都是接近Normal DCR甚至更低，在零度的時候，甚至會低于這個客戶的要求。高溫循環(huán)怎么樣，同樣1.5C充10C放，可以做到兩千次循環(huán)。然后電池在60度儲存6個月的時間體積膨脹不超過2%，還有一個就是calendar life是10年以上，這個部分就是我要討論低電壓的。
下面我就討論一下A123高電壓、高比能量密度電池的開發(fā)情況。大家談起A123都知道是做磷酸鐵鋰，由于歷史的原因，我們在高能量密度電池的開發(fā)相對其他競爭對手起步會稍晚一點，這幾年也是投入了很多的研發(fā)，今年萬向美國集團投資將近1個億美金加速high energy電池的開發(fā)。我們在去年是成功開發(fā)了180Wh/kg的產(chǎn)品，今年年底會SOP 230Wh/kg這個項目，我們目標在2020年實現(xiàn)300瓦時每公斤的產(chǎn)品開發(fā)，這一個圖就是我們根據(jù)中國的政府部門的要求，還有我們競爭對手在高比能量密度電池上的開發(fā)對比情況，可以看出A123在早期，還是想建立在磷酸鐵鋰基礎(chǔ)上的優(yōu)勢，開發(fā)NMC高比能量密度的電池相對比較滯后一些。我們目標是在2020年左右，跟主要競爭對手達到一個相當?shù)闹?。?026年目標是在400WH/KG。這邊我介紹一下230Wh/kg的產(chǎn)品，從開始接觸這個項目是要找高電壓的添加劑，體系是2.75到4.4V，有一些自己合成的鋰鹽添加劑等等，我們篩選了很多添加劑，都是有一些高電壓循環(huán)性能的提升的。我們利用整體的技術(shù)就是4.4V，到45度1C充2C放可以達到1500次循環(huán)，室溫循環(huán)是兩千次以上，能量密度≥230Wh/kg。
因為A123的產(chǎn)品，不單單只面向國內(nèi)，也瞄準的歐美客戶。我們知道在國內(nèi)是把針刺這個部分暫時取消了，我們內(nèi)部也是要求非常高，是要通過Nail Penetration的安全測試，我們措施就是通過正級材料的改善，還有一個就是電解液添加劑的引入，我們是能夠成功通過Nail Penetration。大家知道單體電池的Overcharge還是比較容易的，難在哪里呢？是模塊，230Wh/kg這個體系一個模塊是5個電池，一個電池容量是53安時，知道從上面這個圖可以看到，過了之后電池的溫升最高不超過140度，如果我們這個電池溫度可以達到600度左右，這個就是我介紹230的體系，我們準備在今年年底已經(jīng)SOP了。
后面我們討論一下250到300WH/kg的技術(shù)，要實現(xiàn)250到300甚至以上，正極唯一的選擇就是往上高鎳材料上走，622、811，8.5、8.7，你如果用石墨的話是沒辦法達到這個體系的。我們必須引入這個硅，或者是其他的合金負級材料，合金負級就是體積膨脹很嚴重，傳統(tǒng)的binder是沒辦法滿足合金負極的體積膨脹帶來的問題。我們內(nèi)部也是有一個團隊，在進行新型的binder研發(fā)。正極往后面走的話，我們是對這個高梯度材料是比較感興趣的，因為可以解決電池的安全性問題。到最后2025年之后，400WH唯一的選擇就是固態(tài)電池，在A123也在開展相關(guān)的研究工作，也在北美投資了做固態(tài)電池的公司，同時也跟一些做鋰電池金屬的公司開展合作。對于實現(xiàn)350Wh/kg我們有三個技術(shù)方案平臺，第一個就是NMC622加硅碳體系，必須在高電壓體系做。第二個就是811，還有石墨，第三個就是811和硅碳，因為我們知道就是說把容量做上去就是很容易的，難在通過所有的安全測試？我們跟美國的阿貢國家實驗室和Wildcat公司進行緊密的合作，通過材料的改進，共同開發(fā)，給予我們一些技術(shù)支持。這是我們第二代產(chǎn)品和第三代產(chǎn)品做的硅碳體系的。我們前年年底的時候已經(jīng)達到了700次循環(huán)的壽命，今年在材料、binder加上電解液攻關(guān)，目前達到了550Wh/L，循環(huán)壽命，如果說我們把充換電的窗口縮小的話，可以做到520WH/升，達到一千次循環(huán)，同時可以顯著提高能量密度。還有一個問題也是我們比較頭痛的問題。我們進行電解液的開發(fā)，還有一個材料的修復，想辦法降低產(chǎn)氣的問題。
最后一個是在將近300WH/升，我們做的是811和硅碳體系，室溫已經(jīng)做到兩千循環(huán)，通過電解液的改善，我們也可以提高這個電池的倍率性能，能量密度在260WH公斤以上。目前我們還沒有做安全測試這一塊，當然難度會比較大。
最后我總結(jié)一下，我們在低電壓體系，A123在全球擁有領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢，230也是成功的SOP，在250-300Wh/kg這個能量密度體系上，我們也取得了顯著的突破，目前解決是高溫儲存，高溫產(chǎn)區(qū)問題，還有安全的問題。
以上就是我的報告，謝謝大家！
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