高比能動力鋰離子電池開發與產業化技術攻關

秦興才

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

高比能動力鋰離子電池開發與產業化技術攻關

秦興才

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

針對“新能源汽車”試點專項“高比能量鋰離子電池技術”的指南任務，天津力神電池股份有限公司聯合國內一流鋰電材料企業、高校和科研院所，組建項目研發團隊，以開發300 Wh/kg鋰離子動力電池為目標，重點圍繞電池關鍵材料、電池單體產業化、電池系統開發及裝車試運行開展工作。

高比能量；動力鋰離子電池；正極；負極

1　項目目的和意義

鋰離子動力電池是新能源汽車動力系統技術發展的核心。美國、日本、韓國和歐盟等都對動力鋰電池新技術，特別是高安全性、低成本、長壽命和高能量密度的動力鋰離子電池新體系和新技術需求十分急迫！各個國家都投入大量人力物力，旨在攻克技術壁壘，在新能源動力汽車方面搶占先機[1]。

我國政府也已經在國家高技術研究發展計劃 (“863”計劃)中專門開列了包括混合動力汽車在內的電動汽車重大專項。展開了新能源汽車示范，對動力電池產業化技術進行了扶持和資金配套，使我國的動力電池企業迅速發展，技術水平顯著提高。

基于更高續航里程的需求，科技部下發的“十三五”新能源汽車試點專項2016年度項目中，到2020年，我國鋰離子動力電池的單體比能量將會達到300 Wh/kg。基于該指南，天津力神電池股份有限公司聯合國內一流鋰電材料企業、高校和科研院所，組建項目研發團隊，以開發300 Wh/kg鋰離子動力電池為目標，重點圍繞電池關鍵材料、電池單體產業化、電池系統開發及裝車試運行開展工作。

本項目的實施，可顯著提升我國在鋰離子動力電池全產業鏈的技術水平和產業化競爭能力，提高我國在動力鋰離子電池領域的市場份額。

2　項目總體目標

本項目旨在開發比能量300 Wh/kg、循環壽命1 500次、安全性能滿足國標要求、成本0.8元/Wh的電池單體；建設一條產能2億瓦時的電池單體生產線，在項目完成時實現銷售3 000萬瓦時或者裝車1 000輛。重點圍繞電池關鍵材料、電池單體產業化、電池系統開發及裝車試運行開展工作。

3　研究內容

本項目的研究內容，核心為電池材料開發與安全研究，重點是電芯設計與工藝，兼顧電池系統的開發。

3.1關鍵材料的開發研究

正、負極材料的主要研究內容為材料合成工藝中的工程技術問題。

高鎳正極材料的開發：著重研究前驅體控制結晶合成技術、前驅體體相均勻摻雜、晶格修飾配方技術、富氧氣氛二次固相合成技術，研究鋰配比及分布、燒結溫度曲線等工藝參數，確定材料的梯度組成和制備技術；研究可將表面殘余鋰轉化成與基體晶格匹配、化學穩定的LiAlO2的表面包覆技術；突破高性能、低成本材料的工程化關鍵技術，建立一條能夠實現大批量連續穩定生產高鎳正極材料及其前驅體的生產線。

硅碳復合負極材料的開發：研究硅碳負極材料結構構筑、制備及產業化，保持高可逆克容量的同時解決首次效率以及體積膨脹對循環壽命的不利影響等問題。主要包括：研究納米硅及氧化亞硅前端制備技術，提高容量和效率；篩選作為骨架支撐結構的石墨為內核，提高首次效率和循環穩定性；研究CVD包覆技術，包括包覆碳源選擇，提高電子電導率及循環性能；研究預嵌鋰技術，包括鋰源選擇及預處理條件，提高首次效率；各技術融合，確定各組分合適比例及產業化工藝。

新型電解液的開發：重點研究新型電解質鹽二氟磷酸鋰、四氟草酸磷酸鋰對電池單體的影響，新型氟代溶劑、非碳酸酯溶劑與高鎳材料的匹配性，適用于高鎳正極材料的低阻抗正極成膜添加劑，以及匹配硅碳類負極材料的添加劑等[2]。

3.2電池單體設計與工藝優化研究

極片設計主要研究正、負極片的活性物質配比、涂覆量、孔隙率和電流密度對電池單體的循環壽命和倍率性能的影響；重點對負極配方進行優化，包括：粘結劑與導電劑的選擇與配比的優化，涂覆工藝優化，熱處理工藝和化成工藝對循環性能、循環過程中電池單體厚度膨脹的影響等。

結構設計重點研究極耳位置和數量對電流密度、電池內阻和倍率性能的影響，并開發與之相匹配的工藝與設備。

3.3電池單體的安全研究

熱失控機理研究：確定電池關鍵材料的電化學反應機理及副反應，分析電池在循環過程中產熱的來源；計算正負極材料的歐姆阻抗、電荷轉移阻抗、擴散阻抗等產生的可逆熱和不可逆熱，將電化學性能與材料結構演變進行耦合，提出合理的高比能量鋰離子電池熱失控機理。

安全技術開發：研究電解液阻燃添加劑，采用新型涂層材料和涂層技術的高性能復合涂層隔膜；研究熱聚合材料的應用工藝及其在電池熱失控時的作用效果和對電池性能的影響；研究熱增阻型陶瓷化轉變材料的應用工藝與作用效果。

3.4電池單體壽命衰減研究

研究電池單體壽命衰減的機理和影響因素，著重研究正極材料表面和體相結構變化、負極材料體積膨脹和形貌變化、正負極材料與電解液的界面特性、極片孔隙率與電流密度等因素與壽命衰減之間的關系；研究電池單體制作工藝對其循環性能的影響。

3.5均一性研究

從電池設計入手，研究電池材料、生產工藝、環境控制和生產設備的一致性對電池單體一致性的影響，并有針對性地進行質量控制技術開發，以確保電池單體的高度一致性。

3.6電池系統的研究

研究300 Wh/kg體系下的電池管理系統和熱管理系統，包括：SOC/SOH估算方法研究、均衡方法研究、對電池信息采集精度的研究；熱管理結構設計及部件選型、熱管理控制策略等。

4　預期經濟社會效益

本項目預期在電池關鍵材料、電池單體開發制造和電池系統開發上形成技術突破，建立自主知識產權體系，并實現量產應用，可有效帶動上、下游產業的發展，引領動力電池發展方向。項目建成后，能夠提供鋰離子動力電池的良好開發、生產環境。高比能動力電池的量產應用，可有效緩解電動車現面臨的行駛里程不足的問題，促進新能源車的推廣應用，有助于擴大新能源車的產業規模。

新能源車的普及應用，可減小交通領域的碳排放，以及傳統交通運輸工具帶來的廢氣、粉塵和噪聲問題，有益于環保；電力驅動汽車使得交通運輸能源多樣化、可再生化，降低國家對石油進口的能源依賴度，提高國家能源安全水平；作為新興產業，新能源汽車其整個產業鏈覆蓋較廣，可以帶動電池、儲能、電網等一系列行業的進步，促進汽車產業的發展，有利于我國經濟長期可持續的發展。因此，本項目社會效益明顯。

根據力神公司的發展規劃，到2020年將形成百億瓦時的動力電池生產能力。本項目基于軟包電池所開發的高比能電池體系，可以拓展應用于方形和圓形動力電池，覆蓋全系列動力電池產品。據此預期，項目建成后，直接和間接年產值將達到百億元人民幣，經濟效益顯著。

[1]肖成偉，汪繼強.電動汽車動力電池產業的發展[J].科技導報, 2016(6):74-78.

[2]XU K.Electrolytes and interphases in Li-ion batteries and beyond [J].Chemical Reviews,2014,114(23):503-618.

Tackling key technologies for development and industrialization of power lithium ion battery with high specific energy

QIN Xing-cai
(Tianjin Lishen Battery Joint-Stock CO.,LTD.,Tianjin 300384,China)

Based on the guideline of the power lithium ion battery with high specific energy of new energy vehicle, Tianjin Lishen Battery collaborates with the first-class domestic Li-ion battery material enterprises,universities and research institutes to develop the 300Wh/kg power lithium ion battery,focusing on key materials,cells industrialization,battery system development and demonstrations on vehicles.

high specific energy;power Li-ion battery;positive electrode;negative electrode

TM 912

A

1002-087 X(2016)10-2082-02

2016-08-10

國家重點研發計劃新能源汽車專項(2016YFB0100500)

秦興才(1962—)，男，河南省人，正高級工程師，主要研究方向為鋰離子電池。

薛原，E-mail:gmoffice@lishen.com.cn