解密高比能電芯！欣旺達(dá)電動(dòng)汽車電池梁世碩：堅(jiān)持混動(dòng)和純電發(fā)展策略
日前，在“2022中國(guó)（遂寧）國(guó)際鋰電產(chǎn)業(yè)大會(huì)暨新能源汽車及動(dòng)力電池國(guó)際交流會(huì)”的“迎接新能源汽車快充時(shí)代”主題論壇上，欣旺達(dá)電動(dòng)汽車電池有限公司中央研究院副總經(jīng)理梁世碩博士圍繞“高比能動(dòng)力電芯的挑戰(zhàn)和開(kāi)發(fā)策略”作主題演講。
截至目前，中國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量已連續(xù)七年領(lǐng)跑全球。在過(guò)去幾年里，新能源汽車應(yīng)用場(chǎng)景中涌現(xiàn)出眾多品牌的動(dòng)力電池，優(yōu)勢(shì)各異、鏖戰(zhàn)尤酣。成立于2014年的欣旺達(dá)電動(dòng)汽車電池有限公司，面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，選擇了“左手混動(dòng)，右手純電”的發(fā)展策略，全面布局交通運(yùn)輸、新能源等領(lǐng)域，并通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、精細(xì)化運(yùn)營(yíng)，提供有競(jìng)爭(zhēng)力、情景化的動(dòng)力電池解決方案。
發(fā)展至今，欣旺達(dá)電動(dòng)汽車電池有限公司取得了令業(yè)界矚目的豐碩成果。梁世碩介紹道，“2022年 1-9月，HEV電池裝機(jī)量欣旺達(dá)排名國(guó)內(nèi)第一位，動(dòng)力電池裝機(jī)量排名國(guó)內(nèi)第五位、全球第九位。”穩(wěn)坐動(dòng)力電池領(lǐng)域頭部陣營(yíng)。
全球化布局方面，梁世碩表示，“欣旺達(dá)被評(píng)為全球動(dòng)力電池TIER 1生產(chǎn)商［有資格供應(yīng)超過(guò)1家跨國(guó)OEM/EV生廠商（海外市場(chǎng)），且年累積產(chǎn)能＞5GWh］，是全球9家獲此殊榮的行業(yè)企業(yè)之一。”
如今的欣旺達(dá)不僅研發(fā)能力強(qiáng)勁，授權(quán)專利數(shù)超1200項(xiàng)，研發(fā)設(shè)備超3000套，研發(fā)人員超1500人，其中博士超100人；而且現(xiàn)已建成及在建動(dòng)力電池生產(chǎn)基地8個(gè)，分別是廣東惠州、江蘇南京、江西南昌、山東棗莊、四川德陽(yáng)、浙江義烏、湖北宜昌和海外基地，規(guī)劃產(chǎn)能超500GWh。
欣旺達(dá)并不滿足于現(xiàn)狀，積極進(jìn)軍高比能動(dòng)力電池市場(chǎng)。梁世碩在此次交流會(huì)上分析了高比能動(dòng)力電芯市場(chǎng)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，并分享了含金量十足的欣旺達(dá)開(kāi)發(fā)策略和進(jìn)展。
當(dāng)前，電動(dòng)汽車市場(chǎng)的主要焦慮包括里程、充電、保值、安全隱患四個(gè)方面。
梁世碩指出，“為緩解里程焦慮，電動(dòng)汽車裝電量及續(xù)航里程呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)后續(xù)標(biāo)桿車型裝電量將達(dá)150KWh，續(xù)航超過(guò)1000km。高裝電量的同時(shí)，為保持寬敞的車內(nèi)空間并減少車輛總重量，高比能（高體積能量密度及高重量能量密度）電芯成為首選。”
據(jù)介紹，“在高比能電芯規(guī)劃方面，欣旺達(dá)動(dòng)力電池兼?zhèn)涓吣芰棵芏群涂斐湫阅埽芰棵芏雀采w280Wh/kg-350Wh/kg，實(shí)現(xiàn)15/20/30分鐘快充，系列產(chǎn)品都將陸續(xù)推向市場(chǎng)。”
梁世碩認(rèn)為，“目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的是鎳三元和石墨體系，要達(dá)到高比能，高鎳三元和硅基是必經(jīng)之路。而這兩種材料在電芯循環(huán)、膨脹及安全方面帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。”他從三個(gè)方面做出詳細(xì)分析。
高鎳正極材料的挑戰(zhàn)：
一是Ni含量升高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，更易發(fā)生不可逆相轉(zhuǎn)變，伴隨晶格失氧，導(dǎo)致循環(huán)和安全性能惡化。二是Ni4+氧化性強(qiáng)，高鎳材料失氧溫度更低，失氧量更大，導(dǎo)致循環(huán)產(chǎn)氣，安全性能惡化。三是高鎳材料充放電過(guò)程中c參數(shù)變化更為劇烈，顆粒破碎加劇，導(dǎo)致循環(huán)和產(chǎn)氣惡化。
硅基負(fù)極的挑戰(zhàn)：
嵌鋰過(guò)程伴隨劇烈膨脹，脫鋰后材料收縮，體積反復(fù)變化導(dǎo)致材料粉化或從集流體上脫落；同時(shí)造成界面暴露在電解液中，不斷形成SEI膜，導(dǎo)致內(nèi)阻增加，同時(shí)惡化存儲(chǔ)和產(chǎn)氣；脫嵌鋰體積變化和體相電阻高的特性，容易造成循環(huán)過(guò)程中脫離電接觸，加快容量衰減。
硅基電解液的挑戰(zhàn)：
硅負(fù)極的膨脹使電解液很難形成穩(wěn)定SEI膜；高含量FEC與鋰鹽相互促進(jìn)分解，生成HF，破壞正負(fù)極界面、腐蝕活性材料顆粒；匹配高電壓三元正極或高鎳正極時(shí)，界面氧化性強(qiáng)催化電解液分解；應(yīng)用方面，常規(guī)電解液添加劑一般會(huì)使電池的DCR增長(zhǎng)，從而不利于快充性能。
針對(duì)以上挑戰(zhàn)，欣旺達(dá)提出他們的開(kāi)發(fā)策略。
高鎳材料開(kāi)發(fā)上：梁世碩表示，“一方面，由團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)力場(chǎng)勢(shì)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)材料精確計(jì)算，針對(duì)高鎳體系，計(jì)算了近30種摻雜元素的影響，結(jié)合Li/Ni交換能等多緯度計(jì)算結(jié)果，優(yōu)選出了提升材料循環(huán)壽命和安全性能的最優(yōu)摻雜元素。”
另一方面，體相均勻摻雜工藝和晶面取向調(diào)控也是高鎳材料開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。“提升制作工藝，調(diào)控前驅(qū)體晶須形貌和燒結(jié)，減少失氧，緩解顆粒開(kāi)裂，進(jìn)而提升循環(huán)性能和安全性能。”
氧化硅材料探索上：梁世碩表示，通過(guò)仿真計(jì)算，調(diào)控氧含量材料體積膨脹可降低一半。此外，通過(guò)調(diào)控硅酸鹽相、摻雜技術(shù)，使快充性能明顯提升。
電解液改善策略上：調(diào)配并使用的硅負(fù)極成膜添加劑、除酸添加劑、耐氧化溶劑、新型成膜添加劑成功解決SEI膜、HF腐蝕、改善產(chǎn)氣、耐壓性、相容性等問(wèn)題。提高了電解液循環(huán)能力和存儲(chǔ)能力。
以欣旺達(dá)300Wh/kg高比能電芯為例，已具備長(zhǎng)壽命、低循環(huán)膨脹率、高安全可靠性、模組無(wú)熱擴(kuò)散等優(yōu)勢(shì)。梁世碩介紹道，“在三亞市實(shí)際運(yùn)行工況下，欣旺達(dá)高比能電芯服務(wù)壽命可達(dá)8年且16萬(wàn)公里質(zhì)保壽命SOH_均值為：82.33%，滿足80%的能量保值率要求。同時(shí)，電芯EOL滿電膨脹率及滿電膨脹力值均顯著低于客戶要求，實(shí)現(xiàn)低循環(huán)膨脹率。在60 ℃ 極端自然環(huán)境下對(duì)電芯進(jìn)行外短路、過(guò)充、雨淋、電擊測(cè)試：不起火、不冒煙、不漏液；淺表針刺和暴力撞擊測(cè)試：只漏液，不起火、不冒煙。說(shuō)明該電池具有極高的安全可靠性！”
欣旺達(dá)高比能電芯電池模組是當(dāng)前市場(chǎng)上最安全的電池模組之一。通過(guò)先進(jìn)的熱阻斷材料、液冷工藝和模組設(shè)計(jì)，欣旺達(dá)高比能電芯成功實(shí)現(xiàn)電芯之間熱阻隔，減少電芯間異常反應(yīng)對(duì)臨近電芯的影響，有效提高電池模組維修和使用的經(jīng)濟(jì)性。
同時(shí)，通過(guò)優(yōu)異的模組設(shè)計(jì)，提高電芯冷卻性能和阻隔電芯間的異常熱量傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)電芯不起火、不傳燒，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安全耐用的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)目標(biāo)。
產(chǎn)業(yè)布局方面，梁世碩表示，“欣旺達(dá)將堅(jiān)持混合動(dòng)力和純電動(dòng)力電池并重的發(fā)展策略，助力交通運(yùn)輸領(lǐng)域等雙碳目標(biāo)的達(dá)成。”
產(chǎn)品矩陣中，據(jù)梁世碩介紹，“欣旺達(dá)HEV電池產(chǎn)品，已具備最高100C高倍率放電能力，50000次循環(huán)壽命，以及高安全可靠性，目前已向雷諾、日產(chǎn)批量供貨，與85%國(guó)內(nèi)主流車企形成合作，海外定點(diǎn)企業(yè)也達(dá)11家，包括德國(guó)大眾集團(tuán)。”
超級(jí)快充電池產(chǎn)品，已實(shí)現(xiàn)充電五分鐘續(xù)航200km的能力，目前小批量量產(chǎn)，合作車企有9家，批量化市場(chǎng)應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)先。
此外，欣旺達(dá)ESS 磷酸鐵鋰電芯實(shí)現(xiàn)6000-16000次循環(huán)壽命，已向國(guó)內(nèi)外頂級(jí)儲(chǔ)能客戶批量化交付。高比能BEV三元電芯，正在開(kāi)發(fā)280Wh/kg-350Wh/kg電芯，將滿足國(guó)內(nèi)外客戶長(zhǎng)續(xù)航高端車型需求。
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