吴军:动力用电池的技术与趋势

发布日期:2021-07-08

核心提示:吴军:动力用电池的技术与趋势

锂电现场图3


7月7日,2021中国国际锂电产业大会(简称金砖锂电论坛)在上海汽车会展中心顺利召

开。本届金砖锂电会议为期两天,主题为以“新技术、新应用、新发展”为主题,采

用“会议论坛+展览展示+体验营销”三位一体的创新模式,多项重点活动同期同地举

办,充分协同联动,品牌效应和影响力大幅提升。

 

联动天翼新能源有限公司研发总监吴军出席论坛并发表主题演讲——《动力用电池的技

术与趋势》

 吴军

以下为演讲实录:

 

    各位嘉宾:

    大家下午好!

    我是来自联动天翼的吴军,首先,非常感谢组委会给我这个机会,给大家分享一下关于动力电池技

术与趋势的理解。

    一、背景介绍

    大家都知道,锂电行业目前很火,我跟大家分享一下我的切身经历。十年前我刚进学校的时候,我

老师跟我说了一句话,你信不信你选择了锂电行业,未来你不会失业。十几年前我根本不了解电池是

什么,在现在来看,电池行业发展的越来越广。

    从小动力到EV、储能,现在每个领域对电池的需求越来越多,但是对电池的需求是一致的吗?他

们对电池的要求是什么?

    我简单整理了一下这些板块对电池的要求,从带电量来说,会越来越大。但是工况是不一样的,对

于使用时间和成本也是不尽相同的。针对不同的工况,我们应该怎么样对电池进行分析?

    总结为四方面:

    1.安全。

    2.续航。

    3.寿命。

    4.经济。

    每一个板块我们都会讲很多很多,但是我这边重点讲一下寿命。(如图)从右边的图来说,市场对

电池提了很高的要求,换车不换电池。如果一个电池能服务三辆车、四辆车,它的成本会大幅下降。

所以针对电池的寿命,我后面会讲一下我们怎么针对寿命去提高。

    二、技术创新

    首先,对电池寿命进行分解。整个电池组的寿命一般分解为几块。

    1.电池本体寿命,解决单一对象的问题。

    2.成组寿命。

    3.使用工况。

    解决单一寿命,关于负极析锂也好、负极SEI膜修复也好,都是解决单体寿命,把500圈变成1000

圈、10000圈,怎么解决这个问题。

    成组寿命是解决7个对象的组合管理问题,这是在系统层解决的。

    最后一个,即使电池寿命都很好,但是使用不好,同样不能很好的把电池应用好。所以在使用工况

上,两轮车的应用场景比
EV更严苛,怎么样管控温度。第二个是SOC控制,然后是充电电流控制。

    首先,对循环寿命的问题,这是最新的循环寿命特征。分为三个阶段:

    1.整个循环线性下降。

    2.整个循环迅速下降。

    3.整个循环跳水。

    在这三个阶段下,分别的趋势代表什么化学含义,我们怎么把循环提升,怎么样不跳水。同时,我

们发现循环下降的时候,阻抗是逐步增加的。针对这几个现象,我们做了一些研究。

    不同循环次数下,极化会越来越大。从中间的图来看,阻抗是逐步增高的。从材料本征来说,我们

对于电池的初期和末期进行了分解,初期整个正极是比较好的,后期负极材料的副反应逐步增多,

SEI膜会逐步增厚。同时,电池的最终形态来说,产气量、对于电池阻抗都会逐步增大,都会影响到

电池性能。所以我们对整个循环进行了一些分级。

    第一阶段,循环占整个寿命的80%-90%,所以我们重点解决第一和第二的问题。针对循环,我们

进行了机理分析。每一段发生了什么样的反应,比如说第一段,发生了负极膨胀、SEI膜修复、消耗

电解液。到第二阶段发生了什么,针对第一阶段和第二阶段,因为容量筛选是很复杂的环节,会涉及

到物理反应、气解和溶解的反应。总结下来,主要来源于材料劣化,怎么把正极的设计不影响正极材

料的破坏以及负极材料的SEI膜破坏。

    正极材料的劣化来源于什么?这边也说了关于材料相变结构的变化。怎么样让正极材料在循环过程

中材料颗粒破碎,这是我们重点要解决的。第二,怎么让正极和电解液的反应在使用过程中不增加阻

抗,在表面形成一些动画层。所以我们采用了不同方式,发挥单晶、多晶的优势,不降低能量密度的

前提下,提升电芯高温循环能力。采用多元素掺杂,采用复合包覆技术,减少表面层不可逆相变和副

反应发生。

    怎么样让负极材料在膨胀过程中不导致颗粒的破碎,以及在负极和电解液反应的时候,怎么样不增

加电池的阻抗,最后是不析锂。在负极上,我们会做原材料选型以及工艺升级,降低负极的膨胀。因

为负极膨胀降低之后,它的
SEI膜破碎的会少,不会产生一些跳水。

    关于电解液,这是非常关键的。从中间的图来看,电解液不添加任何添加剂的情况下,它的正极表

面如王院长说的,整个表面就会钝化,加了一些添加剂之后,会保护整个正极的表面,医治正极结构

的破坏。

    负极也是一样的,怎么通过一些添加剂保护SEI膜,让它不破碎。针对这块,我们做了不同添加

剂。针对不同添加剂,对循环性能的识别,以及通过配方的优化,其实配方是一个综合剂,怎么综合

正极和负极,实现循环性能和经济性的平衡。

    前面讲了这么多,都讲了怎么去解决单电性的循环问题。下一个板块是怎么去使用它。

    我提了一个问题,我们测试特斯拉18650,发现它在1C下循环只能达到800次。20万公里之后,单

电性依然维持95%。1C/1C循环并不能真实评估电池性能,所以我们对18650进行了分解。从左边的

图来说,我们对每10%SOC做循环,如果0-10%做循环的话,可以获得10000周以上。随着趋势来

看,SOC越高的时候,循环越大。控制上限SOC,调下限SOC,下限SOC越低,寿命也是越差的。电

池其实是可以找到比较适合的窗口,怎么去使用这个电池,以及让它的寿命更大。

    特斯拉这个电池,0-100%可能也就1000多左右,但是使用的时候可以到3000-5000周,有些因子

我们要识别。

    我们对电池的使用一般分为两个模型,一个是存储模型,另外一个是循环模型。今天我不会讲存

储,主要讲循环。因为我们的车大部分在存储,而不是在充电。到底是
100%电量的存储还是50%电

量的存储,以及温度,存在25度下还是45度、55度。除了这两个影响因子之外,还会加充电倍率的

问题。所以我们针对这些因子,我们做了一些实验,以便找出一些显著因子去充分使用电池以及对电

池的后续梯次利用提高价值。

    可能不能通用到所有的产品,只是给大家简单看一下。我们对不同的倍率进行分享,第二个是对不

同温度,
25度、35度45度、55度对循环有什么样的影响。后面有不同SOC的,100%、95%、

90%、80%,下限从0%、10%、15%、23%。这只是数据,怎么把它应用起来,这是我们第二步要

做的。针对这个数据,我们希望把它变成一个模型。基于这些数据,我们把它变成模型以后,我们针

对模型以及应用工况,可以设计出整个电池的寿命。

    我们充放电的深度是5%-95%,倍率是0.5%,温度是25度,可以算出来电池到80%还有多少循

环,电池到70%还有多少循环。第二,我们的用户业务场景是45%度,那会衰减多少?因为很多用户

放电基本上不会放空的。从这个模型中可以看出,同样的电池在不同的工况下,可以做出不同的循

环。最终一个是通过我们数据的模型以及不同工况下我们可以预测出80%的寿命,以及梯次下70%还

剩下多少。70%、80%还有好几千周。

    我们有寿命模型,包括电池的设计,以及运营平台,我们可以把整个电池的寿命模型做一个组合,

这样我们在下一个阶段,两轮车也好,四轮车也好,我们可以完全监控到它的寿命。

    在这之后,我们做下一步的梯次利用。其实有很多我们的运营商拿到一些梯次电池给我们,我们不

敢用,因为我们对它的数据模型不清楚,对它的运营情况不清楚,没办法做梯次利用。只有有数据模

型,我才能知道它还能用多少周。现在看好的,有可能拿到一个不知道什么模型的时候,
10周之后就

跳水了。

    最后一步是材料回收,如果前期没有积累的情况,就直接从第一步跳到最后一步了,不会出现梯

次。

    三、未来展望

    联动天翼是在北京和松下进行合作的,下一个公司是联动天翼新能源,我们会个做PACK、电池以

及系统,我们会有各个板块的合作。

    这是我们目前在江阴的工厂,我们会有4GWh的一期产线和12GWh的二期产线,应用端会用在

EV、储能以及两轮车。

谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

 


 
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