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练就三项“秘技”,这款动力电池实现国际领先

来源:  科技日报     时间:  2019-03-19 11:26
  把“命门”掌握在自己手中
  关键核心技术事关创新主动权、发展主动权,也事关国家经济安全、国防安全和其他安全。习近平总书记指出,要努力实现关键核心技术自主可控,把创新主动权、发展主动权牢牢掌握在自己手中。从今天开始,本报推出“把‘命门’掌握在自己手中”专栏,解读这些为相关学科、产业发展打开新局面的核心技术,为新中国成立70周年献礼。 
  电动汽车因存在续航里程短、成本高等问题,许多潜在消费者对其望而却步。 
    锂离子动力电池能量密度已成为其产业化瓶颈,为此美、日、韩等国都制定了相关产业政策,其目标均指向“2020年能量密度达300Wh/kg”。日前,在国家重点专项支持下,宁德时代新能源科技股份有限公司研发团队攻克高镍三元材料及硅碳负极材料等关键核心技术,率先开发出比能量(质量能量密度)达304Wh/kg的电池样品,在这一国际竞赛中折桂。 
    打通“任督二脉”,补齐正极材料短板 
    锂离子动力电池是目前应用最为广泛的新能源汽车动力电池,是新能源汽车的核心部分。其优势在于能量密度高、循环寿命长,其技术难点在于稳定性和安全性要求高、制备过程复杂,该核心生产技术一直掌握在世界少数几个国家手中。 
    电池的能量密度,是指电池平均单位体积或质量所释放出的电能。“目前能量密度的提升,成为制约锂离子电池发展的最大瓶颈,面临着诸多世界级难题。”宁德时代首席科学家吴凯说,电池厂家可通过增大电池尺寸来达到电量扩容的效果,但电芯“变胖”或者“长个儿”只治标,并不治本。 
  究竟是什么限制了锂电池的能量密度? 
  吴凯介绍,电池背后的化学体系是主要原因。一般而言,锂电池的四个部分非常关键:正极、负极、电解质、膈膜。其中正负极是发生化学反应的地方,相当于人体“任督二脉”。 
  由于目前负极材料的能量密度远大于正极,正极材料就成为了“木桶的短板”——锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料,所以提高能量密度就要不断升级正极材料。但是,我国高镍材料开发起步晚,技术积累较为薄弱,制备工艺及装备条件较为落后。 
  “批量稳定供应高性能的高镍正极材料,是高比能量动力电池开发的关键技术难点之一。”吴凯说,为此,宁德时代依托国家工程研究中心、福建省重点实验室等重大科研平台,通过与产业链上下游合作单位的协同开发,优化原材料合成工艺条件,提高结构稳定性,调整微观结构、控制材料形貌和尺寸分布,逐步实现了国产高镍材料的规模化生产及应用。 
  与日韩竞争对手的同类材料相比,目前国产高镍材料具备可逆容量高、压实密度高、表面及体相结构相对稳定的特点,将打破日韩技术垄断,提升国内产业链技术水平及国产动力电池核心竞争力,打掉创新路上的“第一只拦路虎”。 
  颠覆传统,解决负极材料的硬伤 
  负极材料也是锂离子电池的核心材料之一,目前大多采用石墨作为负极材料。随着对续航里程需求的持续升级,传统石墨负极已不能满足市场对电池能量密度的期望。 
  据测算,硅基负极材料的比容量可达石墨负极的10倍,被看作是后者的“替代者”。传统硅基材料的应用,主要采用碳包覆技术,即在硅材料表面复合一层碳材料。吴凯介绍,但由于硅材料充放电过程中体积变化高达300%,多次循环后表面包覆的碳材料会破碎、脱落,对硅材料的保护作用大幅减弱,从而导致电池循环性能不佳。 
  这一世界级难题如“幽灵”一般困扰产业界10来年之久。 
  宁德时代摒弃了传统碳包覆技术,转向研究人造电解质界面膜包覆技术。历时2年多,将这一技术应用到硅材料制备,开发出具有自主知识产权的新型人造电解质界面膜包覆的硅碳复合负极材料,其循环性能表现显著优于国外产品,打掉创新路上的“第二只拦路虎”。 
  “与碳材料相比,人造电解质界面膜与硅材料的结合作用力更强、弹性更好、不易破碎或粉化,对硅材料起到很好的保护作用,因此能够在循环中大幅提高硅材料的界面稳定性,从而提升电池的循环寿命。”吴凯说,此举将促进我国充分掌握材料改性、前驱体合成等多方面的核心技术,实现关键材料技术的国产化,为硅碳复合负极的逐步商业化推广应用提供了重要保障。 
  完美“瘦身”,率先使用航空级别的“7系铝” 
  在能耗不变,体积和重量都受限的情况下,新能源汽车续航里程,主要取决于电池包的能量密度。 
  “这就考验研究人员为电池包‘瘦身’的能力。”吴凯说,宁德时代首次将航空级别的“7系铝”运用至电池包下箱体。“7系铝”,铝中的“战斗铝”,常被用于制造飞机起落架,具备轻盈、坚固、安全等特性。 
  吴凯告诉记者,“7系铝”应用也具有很多风险,特别是应力腐蚀现象(金属材料在某些特定的介质中,由于腐蚀介质和应力的共同作用而发生断裂)。 
  “业内普遍认为这是‘7系铝’的技术难点,甚至是技术禁区。”吴凯说,为此,他们通过上百项的实验及相关工艺改善,使得应力腐蚀指数控制在行业内最高水平。目前,宁德时代已成功开发出“7系铝”下箱体,并已量产。 
  至此,该企业电池包下箱体轻量化设计已处于世界领先水平。这一全新能量密度的动力电池,能使B级纯电动轿车电池仓在现有基础上,不额外增加空间,载能量(装载电池的总电量)即可提升约50%;车载动力电池系统能量提高50%;整车重量可在现有基础上减重250公斤,使该车型标准工况续驶里程提高到600公里以上……
 
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