電動汽車因存在續(xù)航里程短、成本高等問題，許多潛在消費者對其望而卻步。
鋰離子動力電池能量密度已成為其產(chǎn)業(yè)化瓶頸，為此美、日、韓等國都制定了相關產(chǎn)業(yè)政策，其目標均指向“2020年能量密度達300Wh/kg”。
日前，在國家重點專項支持下，寧德時代新能源科技股份有限公司研發(fā)團隊攻克高鎳三元材料及硅碳負極材料等關鍵核心技術，率先開發(fā)出比能量(質量能量密度)達304Wh/kg的電池樣品，在這一國際競賽中折桂。
補齊正極材料短板
鋰離子動力電池是目前應用最為廣泛的新能源汽車動力電池，是新能源汽車的核心部分。其優(yōu)勢在于能量密度高、循環(huán)壽命長，其技術難點在于穩(wěn)定性和安全性要求高、制備過程復雜，該核心生產(chǎn)技術一直掌握在世界少數(shù)幾個國家手中。
電池的能量密度，是指電池平均單位體積或質量所釋放出的電能。“目前能量密度的提升，成為制約鋰離子電池發(fā)展的最大瓶頸，面臨著諸多世界級難題。”寧德時代首席科學家吳凱說，電池廠家可通過增大電池尺寸來達到電量擴容的效果，但電芯“變胖”或者“長個兒”只治標，并不治本。
究竟是什么限制了鋰電池的能量密度?
吳凱介紹，電池背后的化學體系是主要原因。一般而言，鋰電池的四個部分非常關鍵：正極、負極、電解質、膈膜。其中正負極是發(fā)生化學反應的地方。
由于目前負極材料的能量密度遠大于正極，正極材料就成為了“木桶的短板”——鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料。但是，我國高鎳材料開發(fā)起步晚，技術積累較為薄弱，制備工藝及裝備條件較為落后。
“批量穩(wěn)定供應高性能的高鎳正極材料，是高比能量動力電池開發(fā)的關鍵技術難點之一。”吳凱說，為此，寧德時代依托國家工程研究中心、福建省重點實驗室等重大科研平臺，通過與產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作單位的協(xié)同開發(fā)，優(yōu)化原材料合成工藝條件，提高結構穩(wěn)定性，調整微觀結構、控制材料形貌和尺寸分布，逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)高鎳材料的規(guī)模化生產(chǎn)及應用。
與日韓競爭對手的同類材料相比，目前國產(chǎn)高鎳材料具備可逆容量高、壓實密度高、表面及體相結構相對穩(wěn)定的特點，將打破日韓技術壟斷，提升國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈技術水平及國產(chǎn)動力電池核心競爭力，打掉創(chuàng)新路上的“第一只攔路虎”。
顛覆傳統(tǒng)，解決負極材料的硬傷
負極材料也是鋰離子電池的核心材料之一，目前大多采用石墨作為負極材料。隨著對續(xù)航里程需求的持續(xù)升級，傳統(tǒng)石墨負極已不能滿足市場對電池能量密度的期望。
據(jù)測算，硅基負極材料的比容量可達石墨負極的10倍，被看作是后者的“替代者”。傳統(tǒng)硅基材料的應用，主要采用碳包覆技術，即在硅材料表面復合一層碳材料。吳凱介紹，但由于硅材料充放電過程中體積變化高達300%，多次循環(huán)后表面包覆的碳材料會破碎、脫落，對硅材料的保護作用大幅減弱，從而導致電池循環(huán)性能不佳。
這一世界級難題如“幽靈”一般困擾產(chǎn)業(yè)界10來年之久。
寧德時代摒棄了傳統(tǒng)碳包覆技術，轉向研究人造電解質界面膜包覆技術。歷時2年多，將這一技術應用到硅材料制備，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的新型人造電解質界面膜包覆的硅碳復合負極材料，其循環(huán)性能表現(xiàn)顯著優(yōu)于國外產(chǎn)品，打掉創(chuàng)新路上的“第二只攔路虎”。
“與碳材料相比，人造電解質界面膜與硅材料的結合作用力更強、彈性更好、不易破碎或粉化，對硅材料起到很好的保護作用，因此能夠在循環(huán)中大幅提高硅材料的界面穩(wěn)定性，從而提升電池的循環(huán)壽命。”吳凱說，此舉將促進我國充分掌握材料改性、前驅體合成等多方面的核心技術，實現(xiàn)關鍵材料技術的國產(chǎn)化，為硅碳復合負極的逐步商業(yè)化推廣應用提供了重要保障。
完美“瘦身”，率先使用航空級別的“7系鋁”
在能耗不變，體積和重量都受限的情況下，新能源汽車續(xù)航里程，主要取決于電池包的能量密度。
“這就考驗研究人員為電池包‘瘦身’的能力。”吳凱說，寧德時代首次將航空級別的“7系鋁”運用至電池包下箱體。“7系鋁”，鋁中的“戰(zhàn)斗鋁”，常被用于制造飛機起落架，具備輕盈、堅固、安全等特性。
吳凱告訴記者，“7系鋁”應用也具有很多風險，特別是應力腐蝕現(xiàn)象(金屬材料在某些特定的介質中，由于腐蝕介質和應力的共同作用而發(fā)生斷裂)。
“業(yè)內(nèi)普遍認為這是‘7系鋁’的技術難點，甚至是技術禁區(qū)。”吳凱說，為此，他們通過上百項的實驗及相關工藝改善，使得應力腐蝕指數(shù)控制在行業(yè)內(nèi)最高水平。目前，寧德時代已成功開發(fā)出“7系鋁”下箱體，并已量產(chǎn)。
至此，該企業(yè)電池包下箱體輕量化設計已處于世界領先水平。這一全新能量密度的動力電池，能使B級純電動轎車電池倉在現(xiàn)有基礎上，不額外增加空間，載能量(裝載電池的總電量)即可提升約50%;車載動力電池系統(tǒng)能量提高50%;整車重量可在現(xiàn)有基礎上減重250公斤，使該車型標準工況續(xù)駛里程提高到600公里以上。
