鋰電池生產(chǎn)
NCM三元材料掃描電鏡圖
“這車能跑多少公里啊?”“充一次電要多長時間?”“電池是否安全?”
近日，在北京的一家新能源汽車4S店里，前來買車的一家人圍著銷售經(jīng)理劉利不停地問著自己關心的問題。“現(xiàn)在大家在買新能源汽車時，詢問最多的就是有關續(xù)航里程、充電時間、冬天好不好充電的問題。”劉利說。
動力鋰電池已經(jīng)成為電動汽車性能對比的標桿。然而，很多人不知道，決定鋰電池性能的關鍵是正極材料。
“正極材料才是動力鋰電池最為關鍵的原材料，它的性能直接決定了鋰電池的主要性能指標，在總成本中占據(jù)30%以上的比例。”北京當升材料科技股份有限公司副總經(jīng)理陳彥彬告訴記者。
長期以來，缺乏高性能的正極材料是我國新能源汽車及其動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“痛點”。作為國內(nèi)專注于鋰電正極材料研發(fā)的上市公司技術(shù)創(chuàng)始人，陳彥彬率領研發(fā)團隊于2014年在國內(nèi)率先開發(fā)成功并量產(chǎn)的車用動力鋰電正極材料，其具有比容量高、循環(huán)壽命長、壓實密度高、低溫性能優(yōu)異等四大性能優(yōu)勢，相應的動力電池單體能量密度達到230Wh/kg，循環(huán)壽命達到4000次，低溫充放電性能優(yōu)勢也十分突出，已成為國內(nèi)外高端電動車用動力鋰電池的首選正極材料。在2017年度北京市科學技術(shù)獎評選中，該項目榮獲二等獎。
高鎳型高能量，電動汽車長續(xù)航
據(jù)了解，目前已經(jīng)商業(yè)化應用的鋰電池正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和NCM(鎳鈷錳)三元材料等產(chǎn)品。國內(nèi)電動汽車發(fā)展初期，動力電池由采用磷酸鐵鋰正極材料的電池主導，雖然這種正極材料制作的電池的循環(huán)壽命較好，但能量密度比較低，這就導致電動汽車的續(xù)航里程相對較短。
“能量密度、循環(huán)壽命、高溫存儲穩(wěn)定性、低溫特性、安全性、成本是動力鋰電池的幾項關鍵指標。”陳彥彬說。
隨著乘用車對長續(xù)航里程的需求越來越迫切，必須開發(fā)更高能量密度的鋰電池正極材料。
“高鎳三元材料可以顯著提升鋰電池的能量密度,在單位體積或單位重量的電池中可儲存的電量更多,因而逐漸成為乘用車動力電池市場的主流。”陳彥彬說，從技術(shù)角度來看，三元材料能量密度、輸出特性、循環(huán)壽命、存儲穩(wěn)定性、安全性等主要性能指標相對而言比較均衡，因此是未來動力電池正極材料的主流方向。
與常規(guī)三元材料NCM111、NCM523相比，NCM622比容量高，用其制作的電池能量密度可達到230Wh/kg以上。
“更高鎳含量的NCM811和NCA盡管能量密度高，但制備難度大、生產(chǎn)成本高、安全風險大，目前主要用于小尺寸的圓柱電池(5Ah以下)，應用于大型的方形電池和鋁塑膜軟包裝電池(50Ah以上)還面臨諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)。”陳彥彬說，“因而NCM622是當前乃至未來幾年內(nèi)高端大型動力電池的首選正極材料。”
相關資料顯示，2018年大眾、寶馬在其配套的動力電池選擇上，采用了高鎳NCM622，未來會采取更高鎳含量的三元材料。動力電池企業(yè)中，包括松下、LG、SK、三星等國際企業(yè)都在向高鎳三元材料動力鋰電池進軍。
在國內(nèi)市場，無論是北汽新能源、比亞迪、吉利、眾泰等主流電動車企，還是寧德時代、孚能、卡耐、捷威動力等主流的動力電池企業(yè)，都在加大高鎳三元電池的開發(fā)和應用。
“從未來市場趨勢來看，電池單體的能量密度要達到280Wh/kg，甚至300Wh/kg以上，所以高鎳三元材料的應用將會成為一個長期的主流趨勢。”陳彥彬說道。
攻難關破瓶頸，掌握關鍵技術(shù)
然而，NCM622材料的開發(fā)并不容易。
“做高能量密度的三元材料，通過高鎳化或者提高工作電壓，把能量密度做上去很容易，但是它的循環(huán)壽命、高溫存儲特性會比較差，同時它的安全風險也在加大，要解決這些問題的技術(shù)難度很大。”陳彥彬說。
目前國際上只有少數(shù)技術(shù)領先的公司進行了動力鋰電高鎳三元NCM622的開發(fā)，現(xiàn)在也僅有三五家實現(xiàn)量產(chǎn)。國內(nèi)大部分公司開發(fā)的NCM622材料堿性雜質(zhì)含量高、循環(huán)性能差、熱存儲穩(wěn)定性差，尚不能用于高端動力鋰電池的生產(chǎn)。
“對三元材料來講，很大的一個問題就是因團聚體顆粒的斷裂、粉化所產(chǎn)生的‘孤島’不能參與充放電過程，形成的裂縫新界面還會發(fā)生更多的副反應，這些會導致鋰電池綜合性能的下降。要想有穩(wěn)定的顆粒結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的綜合性能，就要從前驅(qū)體開始進行全流程系統(tǒng)設計。”陳彥彬說。
陳彥彬帶領研發(fā)團隊，系統(tǒng)開發(fā)了高鎳材料制備的諸多關鍵技術(shù)，包括前驅(qū)體沉淀技術(shù)、燒結(jié)工藝、摻雜技術(shù)、表(界)面協(xié)同修飾技術(shù)，增強了顆粒體相結(jié)構(gòu)、表面與內(nèi)部界面穩(wěn)定性，使材料的循環(huán)壽命、存儲性能和安全性有一個大幅度的提升。
通過對關鍵工藝技術(shù)的不斷改進，陳彥彬帶領團隊攻克了高鎳三元材料產(chǎn)品的眾多行業(yè)關鍵難題，建立了一整套處于行業(yè)領先水平的產(chǎn)品設計及其清潔高效制造技術(shù)。
首先采用硫酸鹽體系連續(xù)法合成一定規(guī)格的高密度球形前驅(qū)體，所得的前驅(qū)體具有特定的粒度分布，良好的球形度、結(jié)晶度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和顆粒強度，有利于制備綜合性能優(yōu)異的三元材料。
進一步，將前驅(qū)體與碳酸鋰通過高效混合設備快速混合，在一定的燒結(jié)溫度曲線以及氣氛條件下進行高溫燒結(jié)，使鋰鹽與前驅(qū)體充分接觸并完全反應。燒結(jié)料經(jīng)過粉碎、分級，制備出微米級的超細粉體，再經(jīng)過多元素、多物相的表(界)面協(xié)同改性處理，大幅提升了材料的穩(wěn)定性，有效抑制了電解液在正極表面的氧化分解和對正極材料的侵蝕溶解等副反應，達到提升材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性的目的，最終制備出綜合性能優(yōu)異的NCM622材料。
對于企業(yè)而言只有將實驗室的研究成果產(chǎn)業(yè)化才能實現(xiàn)其商業(yè)價值。當升科技的研發(fā)團隊通過不斷優(yōu)化改進制備工藝技術(shù)及設備，率先設計并建立了全自動大產(chǎn)能全密閉的前驅(qū)體清潔高效生產(chǎn)線和正極材料生產(chǎn)線。
“這是國內(nèi)首條大產(chǎn)能、自動化、無斷點、全密閉的前驅(qū)體生產(chǎn)線和正極材料生產(chǎn)線，設備流程采用立體布局，最大程度的利用重力作用來減少物流成本和人工;堿液、洗水實現(xiàn)了梯次利用，生產(chǎn)單耗大幅度降低;燒結(jié)窯爐單線產(chǎn)能比原來翻了倍，單位產(chǎn)品的能耗、人工等大幅度降低。”陳彥彬說。
工程化產(chǎn)業(yè)化，成果轉(zhuǎn)化促發(fā)展
我國鋰電正極材料行業(yè)從起步到現(xiàn)在才不過十余年的時間。在鋰電正極材料的制備技術(shù)方面，整個行業(yè)的技術(shù)水平不高。
項目團隊所研發(fā)的高能量密度NCM622正極材料，實用電池的常溫充放電壽命可達4000次以上，遠高于國際同行2200次的水平，高低溫性能、安全性也大幅提高，該產(chǎn)品在2014年研發(fā)成功并出口國際高端鋰電市場，并在中高端電動汽車上大規(guī)模應用。
該項技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化不僅滿足了高端鋰電材料的市場需求，同時也推動了國內(nèi)鋰電正極材料工藝技術(shù)從傳統(tǒng)制造向清潔高效自動化智能化的方向發(fā)展。目前，當升科技已擁有國際前十大鋰電客戶，是全球同時向中、日、韓高端鋰電池企業(yè)提供高品質(zhì)鋰電正極材料的兩家供應商之一，對促進行業(yè)整體水平的提高起到了示范引領作用。
項目的研發(fā)歷程也是近年來北京市高新技術(shù)企業(yè)科技創(chuàng)新的一個縮影，在北京市“10+3”高精尖產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的指引下，這些科技型企業(yè)緊密結(jié)合首都發(fā)展新形勢和產(chǎn)業(yè)發(fā)展新趨勢，把技術(shù)創(chuàng)新作為發(fā)展戰(zhàn)略的核心，不斷增強創(chuàng)新能力和核心競爭力，為北京建設具有全球影響力的全國科技創(chuàng)新中心貢獻了重要力量。
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