桑頓新能源苗力孝：從材料、電芯設(shè)計、PACK管理角度解決電池怕冷的焦慮
桑頓新能源科技有限公司研發(fā)部總經(jīng)理苗力孝作主題演講
11月17日，“2017’第二屆動力電池應用國際峰會暨第三屆中國電池行業(yè)智能制造研討會”繼續(xù)在北京精彩召開。本屆峰會由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會和電池中國網(wǎng)共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合主辦；中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會動力電池應用分會承辦，無錫先導智能裝備股份有限公司聯(lián)合承辦。參加此次峰會人數(shù)超600人。
在動力電池技術(shù)創(chuàng)新分論壇上，桑頓新能源科技有限公司研發(fā)部總經(jīng)理苗力孝作主題演講，從材料修飾、電芯設(shè)計、PACK工藝等方面介紹了如何解決電池低溫問題的研究進展。
以下為苗力孝演講內(nèi)容：
大家上午好！我今天代表桑頓新能源公司來給大家做一個電池低溫技術(shù)研究進展的報告。低溫對電池各項性能的影響都是非常大的，在前面其他公司負責人對電池的一些其他方面研究都進行了介紹，下面我講一下如何通過材料修飾、電芯設(shè)計、PACK工藝等制造技術(shù)來解決電池的低溫問題。
首先我介紹一下桑德集團，桑德集團是國內(nèi)領(lǐng)先的生態(tài)型環(huán)境與新能源綜合服務(wù)商，他有24年的歷史，目前在國內(nèi)有1400余家下屬企業(yè)，品牌價值達152億。現(xiàn)有兩家控股參股上市公司，員工6萬余人，為我國的在環(huán)境領(lǐng)域?qū)U水處理、固廢垃圾的處理做出了非常大的貢獻，其中固廢垃圾每日的處理量就達6萬噸，所以在固體廢物回收領(lǐng)域具有得天獨厚的經(jīng)驗和基礎(chǔ)。在新能源行業(yè)我們知道電池在使用完后是需要進行回收的，而桑德對電池廢固的回收是具有強大的實力和基礎(chǔ)。
我再介紹一下桑頓新能源公司，桑頓新能源公司是桑德集團下屬的一個新能源公司，成立于2011年，注冊資金25.5億。公司專注于鋰離子動力電池、儲能電池及關(guān)鍵材料的研發(fā)與生產(chǎn)。公司具有完整的鋰電產(chǎn)業(yè)鏈。從前軀體到原材料再到單體電芯，PACK以及還有最后的電池回收等整個產(chǎn)業(yè)鏈。公司位于湖南湘潭，占地面積是三千畝地，第三期目前已經(jīng)建成，預計在明年3月份，電芯產(chǎn)能將達到8G瓦時。這個表格列的數(shù)據(jù)是桑頓目前新電源電芯研發(fā)的技術(shù)水平，目前我們實現(xiàn)量產(chǎn)的三元材料電芯能量密度為220瓦時每公斤，電芯循環(huán)壽命為兩千次以上。好的我現(xiàn)在介紹一下電池的低溫技術(shù)。
我們都知道鋰離子電池應用范圍非常廣泛，特別在新能源汽車方面，但是我們國家地域非常遼闊，北方溫度在冬天會下降到零度以下，東北一些地方零下20以下都是經(jīng)常發(fā)生的，低溫會導致新能源汽車的行駛里程大大縮短，對電池的低溫技術(shù)，我們公司也需要作出一些解決方案。低溫通常會給電池帶來四個直接的問題，第一個，由于溫度過低的時候，電解液的粘度會增加，第二SEI膜內(nèi)鋰離子傳遞阻抗會增加，第三鋰離正極材料內(nèi)部離子傳遞的速度也會變得困難，還有一個非常嚴重的問題，負極的析鋰問題，這些都是低溫對電池造成的問題。我們國家幅員遼闊，從長江以北以南兩個地方溫差比較大，在北方使用純電動汽車由于氣溫的降低導致電池的容量無法正常發(fā)揮，使得電動汽車在實際應用過程中里程明顯縮水，電池的壽命顯著縮短。例如在北京氣溫變化很大，冬天的北京溫度變化幅度非常大，最冷時可到零下20度，對電動汽車的電池的考驗非常嚴峻。因此，解決電池的低溫問題，對電動汽車的應用特別是在北方地區(qū)是非常重要的。
再一個低溫給電池帶來的問題是充電的時間延長，電池在低溫下充電的時候容易導致析鋰，所以電池充電之前，一般要對電池進行緩慢加熱，等電池溫度升高的正常溫度以后才開始充電。
通常解決電池低溫是從材料修飾、電芯設(shè)計及Pack制造三方面進行系統(tǒng)改良，就可以提高現(xiàn)有鋰離子電池的低溫充電性能和循環(huán)壽命。目前汽車動力電池常見的正極材料以三元材料和磷酸鐵鋰為主，可通過減小粒徑，采用納米技術(shù)使得材料的一次顆粒納米化，從而縮短鋰離子的遷移路徑；磷酸鐵鋰可以通過摻雜La、Mg，增大c軸，改變層間距增大鋰離子傳輸通道；在三元NCM表面包覆LBO-S快離子導體以減少SEI的形成，使得鋰離子的傳輸直接可以通過快離子導體進出材料本體。。
對于負極材料，目前常用的石墨負極材料在低溫時的嵌鋰阻抗明顯大于正極脫鋰阻抗，導致鋰離子可以在低溫下相對快速的從正極脫嵌，卻無法及時嵌入到負極當中，從而很容易在負極表面堆積引發(fā)析鋰。現(xiàn)有石墨負極材料可通過包覆、表面氧化、摻雜或包覆其它元素，一方面增加石墨層間距，另一方面加快鋰離子在負極表面的去溶劑化速度，從而改善鋰離子嵌入石墨負極的速度。另外開發(fā)新型的負極材料，例如目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的LTO材料，還有一些鋰合金材料、錫基負極材料，這些材料本身具備很好的低溫性能，一旦可形成商業(yè)化產(chǎn)品也會大大的改善鋰離子電池的低溫性能。
前面改善了負極，后面也有對正極材料的一些輔材，顆粒之間的孔隙，我們通過導電碳的添加，能夠改善電池顆粒之間的電子導電性。但對孔隙粒的填充，還要考慮到電解液的晶潤，我們在制作極片時，既要考慮到電子導電性，也要考慮它的離子導電性，孔隙率的控制是在正極材料里面也是一個很關(guān)鍵的值。
另外還有導電劑的選擇，顆粒狀導電劑有乙炔黑、石墨，纖維狀導電劑，CNT，可以在電極中構(gòu)建良好的導電網(wǎng)絡(luò)，減少電池的極化，有助于提高電池的低溫性能，延長電池的壽命。片狀導電劑，如新型的石墨烯導電材料，具有超高的導電性、導熱性、穩(wěn)定性，可以顯著改善低溫性能，添加量的控制是關(guān)鍵，添加量過高反而會阻礙鋰離子的傳輸增加電池內(nèi)阻。再一個就是粘合劑，我們常用的粘合劑基本是不導電的，未來要開發(fā)能夠傳導鋰離子的一些粘合劑。
前面講了正極，負極，下面講下電解液，電解液主要分為鋰鹽、溶劑和添加劑這三部分，通過對這三大類進行有效的改進，能夠很好的提高電解液的低溫性能。特別是鋰鹽，添加一些硼酸鹽有助于在材料表面形成一個比較好的穩(wěn)定的SEI膜，有利于鋰離子的擴散。再一個就是溶劑，溶劑有很多類，不同的溶劑有不同的優(yōu)缺點，通過配置一個合理的比例，能夠改善電解液溶劑的低溫性能。
其次一個就是添加劑，我們知道做鋰離子電池，每個公司都有它一些保密的配方。其中最主要的一個就是核心添加劑的種類和添加量，通過添加不同的添加劑，可以對電池的低溫性能起到非常明顯的改善。
最后還有相變材料，相變材料的使用方式分為兩種，一個是直接在極片制作過程中添加進去，另一個是在電池的外表面，通過它相變在電池發(fā)熱的時候吸熱，電池在溫度低的時候，再把熱量放出來，一個很簡單的原理。相變材料的種類目前可以分為一個固液相變，還有固固相變；固液相不能添加在電池材料里面，可能會和正負極發(fā)生反應，它適合在單體電池做管理系統(tǒng)的一些熱量交換。固固相變材料就可以加入到正負極材料里面，在材料里面使得材料之間的溫度變化更加均勻。相變材料也是最近這幾年受到大家的重視，目前還不是很成熟。
還有一個新的理念，叫全氣候電池，我們知道我們國家冬奧會要開，在冬天如何使這個電池能夠快速的加熱，我們現(xiàn)在一般是通過外部的加熱片，對電池進行一個緩慢的升溫。這是發(fā)表在自然上的一篇文章，他有一個新的概念，叫自加熱電池，我們以前設(shè)計方案就是把各種加熱片加熱膜貼在電芯的外殼，這個自加熱電池了，它的思路是把加熱片嵌入到電芯里面，非常簡單的一個想法。類似于我們燒開水一樣，我們以前是在用熱水壺燒，現(xiàn)在他相當于用了一個熱得快，直接從電池的內(nèi)部進行加熱。在正負極片之間加入了加熱片，通過開關(guān)電路控制，實現(xiàn)對電池的加熱。從內(nèi)部對電池的加熱的速度是非常快的，一般可以在幾十秒內(nèi)使電池的溫度升到常溫，然后就可以進行充放電了。內(nèi)加熱的效率要遠遠高于外部加熱，并且能耗更低，比現(xiàn)有電池表現(xiàn)出來更好的低能性能。在續(xù)航能力、充電時間以及使用壽命實現(xiàn)大幅改善。全氣候電池較18650電池提高零度下續(xù)航里程110%，在零下30度實現(xiàn)15分鐘快速充電，充電速度是現(xiàn)有電池的11.4倍，，并且電池的循環(huán)壽命較現(xiàn)有電池延長40倍。
解決電池低溫問題的最后一個技術(shù)路線是設(shè)計合理的PACK熱管理系統(tǒng)。Pack設(shè)計改善方案由隔熱保溫層、電加熱片、液冷熱管理3個部分構(gòu)成。可以通過更加合理的PACK熱管理設(shè)計，貼加熱膜和選用導熱系數(shù)更低、成本更低廉、質(zhì)量更輕的新材料對電池外面進行加熱保溫可實現(xiàn)低溫下電池正常工作，但在夏天高溫時又不利于電池的散熱，因此相比固體隔熱加熱裝置，利用惰性液體對電池進行熱管理，可更靈活的控制電池溫度，例如國內(nèi)外的典型產(chǎn)品如寶馬i3、特斯拉、通用沃藍達（Volt）、華晨寶馬之諾、吉利帝豪EV等，都采用的是液冷系統(tǒng)。目前該方案對電池的熱管理效果較明顯，但復雜程度高、成本高、致冷液易泄露等問題還尚需要進一步的完善解決。
最后總結(jié)一下，要通過材料修飾、電芯設(shè)計、Pack設(shè)計三個方面，系統(tǒng)的進行改進以改善電池的低溫性能，最后使得電池在低溫下能夠完全發(fā)揮出正常的容量。我的報告就到這里，謝謝大家。
（根據(jù)發(fā)言整理，已經(jīng)本人審閱）
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