研究人員研發(fā)增強型SEI ，可提高鋰金屬電池能量密度、性能、安全性
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 09:23
點擊量：次
據(jù)外媒報道，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)（Penn State）研究人員表示，利用一種新研發(fā)的固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI），可充電鋰金屬電池可實現(xiàn)更高的能量密度，更佳性能以及更好的安全性。
隨著電動汽車、智能手機和無人機等對更高能量密度的鋰金屬電池的需求增加，SEI的不穩(wěn)定性成為阻礙鋰金屬電池發(fā)展的關(guān)鍵問題，因為該電池的鋰電極表面的一層鹽層會將SEI隔離，并且傳導(dǎo)鋰離子。
作為鋰金屬電池內(nèi)最不為人所知的部分，SEI的降解促進(jìn)了樹突的形成。樹突是一種針狀結(jié)構(gòu)，從電池的鋰電極中生長出來，會對電池的性能和安全性產(chǎn)生負(fù)面影響。
機械與化學(xué)工程教授Wang表示：“這就是為什么鋰金屬電池壽命不長的原因，界面膜一生長，電池就會不穩(wěn)定。在該項目中，我們使用了聚合物復(fù)合材料來打造更好的SEI。”該項目由化學(xué)博士生Yue Gao領(lǐng)導(dǎo)，研發(fā)的增強型SEI是一個反應(yīng)性聚合物復(fù)合材料，由聚合物鋰鹽、氟化鋰納米顆粒以及氧化石墨烯片組成，新型電池組件的結(jié)構(gòu)就包含一層薄薄的此類材料。
研究人員研發(fā)的聚合物能夠與鋰金屬表明形成爪狀鍵合，以無源方式為鋰表面提供所需能量，使其不會與電解質(zhì)中的分子發(fā)生反應(yīng)，而納米片在復(fù)合材料中起到機械屏障的作用，防止鋰金屬中形成樹突。
通過化學(xué)和工程設(shè)計以及合作，該技術(shù)能夠在原子水平上控制鋰表面。此外，該反應(yīng)性聚合物還減輕了電池重量、降低了制造成本，進(jìn)一步促進(jìn)鋰金屬電池未來發(fā)展。
一度風(fēng)光的磷酸鐵鋰電池，逐漸淪為動力電池市場“少數(shù)派”。數(shù)據(jù)顯示，今年前三季度磷酸鐵鋰電池市場份額降至不足40％；而2016年占比超過70％。由于產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，今年以來，磷酸鐵鋰材料價格同比下降約30％。
磷酸鐵鋰材料廠商面臨困境的原因，主要在于新能源汽車市場的增量已由客車切換為乘用車，補貼政策導(dǎo)向及乘用車本身對高能量密度的追求，使得能量密度不夠高的磷酸鐵鋰動力電池市場占比萎縮。同時，發(fā)展可期的儲能領(lǐng)域短期難以起量。
為應(yīng)對電池技術(shù)路線的切換，比亞迪、國軒高科等動力電池頭部企業(yè)進(jìn)行兩手準(zhǔn)備，提升磷酸鐵鋰性能的同時，蓄力發(fā)展三元電池。
對于三元電池原材料價格上漲，磷酸鐵鋰電池能否收復(fù)乘用車失地的問題仍存在爭議。爭論的焦點一是提高磷酸鐵鋰能量密度會否引發(fā)安全問題；二是補貼政策退出后，磷酸鐵鋰會否因為價格優(yōu)勢重新崛起。
一度風(fēng)光的磷酸鐵鋰電池，逐漸淪為動力電池市場“少數(shù)派”。數(shù)據(jù)顯示，今年前三季度磷酸鐵鋰電池市場份額降至不足40％；而2016年占比超過70％。由于產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，今年以來，磷酸鐵鋰材料價格同比下降約30％。
磷酸鐵鋰材料廠商面臨困境的原因，主要在于新能源汽車市場的增量已由客車切換為乘用車，補貼政策導(dǎo)向及乘用車本身對高能量密度的追求，使得能量密度不夠高的磷酸鐵鋰動力電池市場占比萎縮。同時，發(fā)展可期的儲能領(lǐng)域短期難以起量。
為應(yīng)對電池技術(shù)路線的切換，比亞迪、國軒高科等動力電池頭部企業(yè)進(jìn)行兩手準(zhǔn)備，提升磷酸鐵鋰性能的同時，蓄力發(fā)展三元電池。
對于三元電池原材料價格上漲，磷酸鐵鋰電池能否收復(fù)乘用車失地的問題仍存在爭議。爭論的焦點一是提高磷酸鐵鋰能量密度會否引發(fā)安全問題；二是補貼政策退出后，磷酸鐵鋰會否因為價格優(yōu)勢重新崛起。
受挫乘用車市場
對磷酸鐵鋰材料廠而言，最大困境在于客車市場銷售增速放緩，而儲能領(lǐng)域難以短期上量。同時，受制于磷酸鐵鋰電池本身能量密度的短板，無法抓住乘用車這一高速增長的市場。
真鋰研究的數(shù)據(jù)顯示，2018年前三季度，在29.5GWh的動力電池總裝機量中，EV乘用車市場前3季度累計裝機16.1GWh，占比達(dá)54.4％，排名第一。單看今年9月的數(shù)據(jù)，電動乘用車實現(xiàn)裝機3.31GWh，比去年的總和還多，同比增長高達(dá)165.6％。
“以前是得電動客車者得天下，現(xiàn)在是得電動乘用車者得天下。”墨柯說。
今年前三季度，在電動乘用車16.06GWh的總裝機量中，13.98GWh采用三元電池，占比約為87％；而磷酸鐵鋰電池占比僅12％。“還有少數(shù)乘用車在用磷酸鐵鋰電池。比如，不追求高續(xù)航、用于城市通勤的乘用車，或者低速車。”天風(fēng)證券分析師楊藻指出。
磷酸鐵鋰電池和三元電池能量密度差距有多大？“目前磷酸鐵鋰單體電芯能量密度約在140-150Wh/kg，電池系統(tǒng)能量密度約為110－120Wh/kg。而常見的三元電池單體電芯為200Wh/kg，系統(tǒng)能量密度約在140Wh/kg。”羅煥塔告訴中國證券報記者。
為何高能量密度成為電池廠、車企競逐的目標(biāo)？一方面受補貼政策引導(dǎo)。根據(jù)2018年6月實施的補貼新政，電池系統(tǒng)能量密度補貼門檻由2017年的90Wh/kg提升105Wh/kg，105（含）-120Wh/kg的車型按0.6倍補貼，120（含）-140Wh/kg的車型按1倍補貼，140（含）-160Wh/kg的車型按1.1倍補貼，160Wh/kg及以上的車型按1.2倍補貼。換言之，搭載磷酸鐵鋰電池的乘用車只能拿到0.6倍或1倍的補貼，而三元電池一般而言至少能拿到1倍以上補貼。
另一方面，對于乘用車而言，系統(tǒng)能量密度高低至關(guān)重要。電池的能量密度指的是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能，會影響到車輛的續(xù)航里程。“舉個例子，200公斤電池包，如果能量密度是140Wh/kg，200KG可以裝28度電。如果能量密度是120Wh/kg，200KG可以裝24度電。這對乘用車而言很要命，因為乘用車內(nèi)部空間有限，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計中只有200公斤左右的重量留給電池包，裝28度電當(dāng)然比24度電跑得更遠(yuǎn)。”墨柯告訴記者。
頭部磷酸鐵鋰電池廠正在努力補足這一短板。比亞迪相關(guān)人士向中國證券報記者透露，目前公司磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)層面能量密度最高可以做到140wh/kg。
國軒高科今年9月接受機構(gòu)調(diào)研時表示，已完成了磷酸鐵鋰單體能量密度由170Wh/kg向180Wh/kg產(chǎn)線升級改造。接近三元523的性能指標(biāo)，且能滿足新能源汽車300公里以上的續(xù)航里程。同時計劃2019年將磷酸鐵鋰單體電芯能量密度最高提升至接近200Wh/kg。
頭部企業(yè)尤其是早期技術(shù)路線偏向磷酸鐵鋰的企業(yè)多在進(jìn)行兩手準(zhǔn)備，提升磷酸鐵鋰技術(shù)路線的同時，蓄力發(fā)展三元電池。
上述比亞迪相關(guān)人士指出，目前比亞迪商用車和E6仍然在使用磷酸鐵鋰電池，乘用車今年已經(jīng)全部換裝三元電池。2018年，比亞迪在青海新增了24GWh的三元電池產(chǎn)能，加上截至2017年底16Gwh的總產(chǎn)能（其中6Gwh是三元電池，10Gwh是磷酸鐵鋰電池），預(yù)計2019年年底動力電池總產(chǎn)能達(dá)40Gwh。
國軒高科表示，正全力推進(jìn)三元電池開發(fā)及投產(chǎn)，已完成原有兩條111產(chǎn)線升級為三元622產(chǎn)線的改造，并已穩(wěn)定、批量向客戶供貨。同時新建的4GWH升級版三元產(chǎn)線，已經(jīng)完成一條產(chǎn)線的打通，預(yù)計四季度供貨。
“以前走磷酸鐵鋰路線的中小電池廠要轉(zhuǎn)換三元路線就沒那么容易。一來原來上游供應(yīng)商的關(guān)系都在磷酸電池體系上，要重新建立三元體系比較困難；二來還要與現(xiàn)有電池廠在客戶資源上展開競爭。”墨柯指出。
能否收復(fù)失地
磷酸鐵鋰能否收復(fù)乘用車市場失地，首要問題是提高磷酸鐵鋰能量密度會否引發(fā)安全問題。
“雖然能將磷酸鐵鋰單體電芯能量密度做到180Wh/kg以上，但多數(shù)還處于小試或者中試階段，未大批量上市，還需要進(jìn)一步驗證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。”羅煥塔指出。
墨柯強調(diào)，磷酸鐵鋰極致追逐能量密度或引發(fā)安全問題。一般來說，單體電芯單位空間聚集的能量越多，瞬間爆發(fā)出來的危害性越大，安全性越低。由于磷酸鐵鋰電池能量密度普遍低于三元電池，安全性相對高一些。
“與三元電池通過提高單體電芯提升能量密度不同，磷酸鐵鋰電池提高能量密度的方式主要是提高電池整體成組效率。”墨柯強調(diào)，這里面潛藏危險。電池成組效率越高，意味著其中安全部件減少。一般來說，磷酸鐵鋰電池成組效率80％屬于正常水平，現(xiàn)在有些廠家已經(jīng)做到90％以上。
另一個爭議的焦點是補貼政策退出后，磷酸鐵鋰會否因為價格優(yōu)勢實現(xiàn)逆襲？
國軒高科接受機構(gòu)調(diào)研時表示，隨著補貼退坡，磷酸鐵鋰的低成本、長壽命、高安全性等優(yōu)勢在乘用車領(lǐng)域?qū)⒅饾u突顯。
