陈涛“比克混合动力电池技术进展”-先进电池材料

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导读

2018年8月20日-22日，由中国化学与物理电源行业协会主办，北京中涂国际会展有限公司承办的两年一届的 “第三届混合动力车与先进电池技术发展研讨会”（2018 3rd HEV/Battery Tech Seminar）在杭州萧山举行。在“HEV锂离子电池技术新进展”上，来自深圳市比克动力电池有限公司方形大电池平台部陈涛博士做了“比克混合动力电池技术进展”的主题发言。
陈涛

大家上午好，首先非常感谢论坛主席汪继强先生、肖成伟博士、张正铭博士的邀请。

众所周知，比克动力是圆柱电芯的行业领导者，特别在硅碳高镍方面有长期的应用经验。除了圆柱，我们在方型电池也有相应的研究积累和布局。今天我给大家介绍一下比克方型48V电芯的研发进展。

报告分为四个部分，一是比克的介绍，二是48V电芯重点技术的介绍，三是48V电芯的spec和相关数据，四是总结。

比克在2001年成立于深圳，2005年实行了18650磷酸铁锂体系的量产，在2015年成为了国内首家量产高镍动力电芯的企业。截止到2017年底总共有超过11万台电动车装载了比克的电芯，并且这么大的一个装车量保持了零事故率。今年我们在郑州搭建了21700产线并且已经开始交付。

这是我们的集团发展战略。深圳是我们主要的研发和生产基地。除此以外我们在郑州有生产基地，包含18650,21700，以及软包能力；在上海有研发中心；我们在国内其他地区也有研发和生产基地的布局，之后在适合的时候会进行公布。

在圆柱电芯的技术路线方面，BEV 18650是从最开始的2.2安时做到现在的3.35安时的高镍体系，大概是到250瓦时/公斤的水平。要达到更高的300瓦时/公斤，我们是走21700的技术路线以提升能量密度和降低成本。因为现在很多主机厂也要求20分钟—30分钟的快充，所以我们也有快充产品和大倍率放电产品的规划。方型的电芯技术路线我们全面涵盖了三元的BEV、PHEV以及今天重点的HEV电芯，同时也有磷酸铁锂BEV产品。

为什么做48V？各家咨询机构、主机厂都有自己的研究数据，根据IHS的估计，到2030年大概会有20%左右的汽车搭载48V系统，转换为电芯的话是一个很大的需求量，因此对我们来说是一个非常重要的市场。

昨天到今天很多主机厂都提出了对48V电芯和系统的要求，我们总结了一下大概有以下几点：120瓦时以上的能量密度、不断提升的功率密度（P/E 60+），低内阻以及内阻增长的控制的要求（因为内阻影响着电芯的方方面面，例如功率特性，热特性，以及寿命终期整体性能）；低温下要求-30C的冷启动；高温方面基本的共识是需要达到65C的工作温度；如果是出于成本的考虑，若某些集成商不使用液冷，甚至会需求电芯能够到达70—75C的工作温度。怎么把低温和高温平衡好对我们来说是一个挑战；循环来说一般100%DOD情况下要求7000圈以上，当然最后最重要的安全也不能忽视。

为了达到以上要求我们主要从如图的三个方面来考虑，一是安全的设计和制程控制，二是电芯材料体系优化，三是电化学机理研究以及仿真。

首先正极对功率的影响是非常大的。根据不同主机厂对低温和高温的要求，我们除了考虑纯的三元111体系以外，也在做锰酸锂的掺混体系；锰酸锂能够提升功率和低温特性，也能带来更高的电压平台。但是含锰氧化物里锰的溶出是一个很大的问题，会给正极和电解液带来一些副反应，金属离子也会穿过隔膜迁移到负极，破坏SEI，进一步地造成可用锂的损失。为了提升正极的高温稳定性，我们调整了搭配的锰酸锂的颗粒大小，比例，同时对表面进行了针对性的修饰和包覆，并且对配套的电解液做了很多工作。

负极方面，特别是低温情况下Rct内阻占了非常大的比重，我们首先需要保证在各种低温的使用情况下电芯不吸锂，然后在此基础上最大化低温充放电能力。对于负极的Rct的优化是我们做了四方面的工作，一是d50的控制，合理范围内尽量小；二是前躯体的选择，即选择一种热处理后兼顾有不定型碳属性的前驱体，以提升功率性能；三是原材料形貌的控制；四是不定性碳外表的包覆。

电解液的溶剂体系决定了整体的离子电导率，也同时影响锂离子的去溶剂化的特性；而添加剂对生成SEI，CEI，形成膜的内阻都有很大的影响。以前很多研究认为较大的Rct， Rsei是低温放电情况下的限制因素，但最近的一些研究表明锂离子去溶剂化过程也在低温放电过程中占据了很大的比重。如何降低这种能，或者说如何调配SEI表面的性质使得其与锂离子通过Rct，Rsei组分的时候所消耗的能有所重叠或“催化”是我们工作的一个重点。

TMSP，LiDFBOP，DTD是一些较为常用的HEV添加剂。这些添加剂都有一个相似的基调，它们都能生成比较稳定且内阻较低的SEI或者CEI。第二它们能够同时作用于正负极，能够一定程度上兼顾低温和高温性能。由于电解液是一个非常复杂的体系，每个成分的加入、含量的改动，都牵引着整个体系的变化。并且因为有些最终性能的变化是具有不可预测性的，因此需要非常大的工作量去对其进行标定。

粘接剂和导电剂是两个非常重要的辅材。关于导电剂，前面的专家也说得很多了，那就是最好使用一种多维度的导电体系以全面的提升动力学性能。对于粘结剂来说，我们倾向于使用在活性物质表面覆盖面积比较小的粘接剂，因为粘接剂的本身的导电率是相对比较低的。第二我们可以通过一些修饰来提高粘结剂的离子电导率。另一方面，我们通过研究电极在碾压以后的形貌，可以进行一些拓扑分析，合理地设计孔隙率以及电极组分相互之间的连接。通过这些设计后的粘结剂能够降低常温以及低温下的内阻。

除了对电芯的每个组分部分进行研究与改善，我们也很关心整体电芯的动力学性能的剖析。通过在不同的时间、倍率、温度情况下对电芯内阻的组成部分进行分解，可以帮我们更好的优化整个电芯的设计，把电芯的每个部件的内阻降到最小，功率特性做到最好。图中可以看到一个50% SOC 电芯在大倍率放电情况下的Rohm+Rct，以及不同组分所占总内阻的饼状图。

模拟仿真可以帮我们分析电芯的热特性，电性能和安全。比如说热特性方面我们可以求解不同工况下的温升，温度分布，产热量等；电性能方面我们可以模拟不同材料基础理化变动所带来的电芯性能变化，容量，倍率，高低温，充放电量等；安全方面我们可以对热失稳，针刺，挤压等一系列安全测试下的电芯表象进行分析。除了以上几方面，仿真对寿命的预测也是一个重点。由于主机厂要求使用工况，即一般30%—70%SOC范围之间的循环数据，这需要相当长的时间才能到达循环圈数。当通过结合经验，实测数据，和理论模型，我们可以进行较为准确的寿命预测，节省开发时间并为电芯的质保提供依据。

这里主要展示一下第二代48V电芯的开发情况，即对应的P2—P2.5的48V系统架构的电芯需求。不同的主机厂、不同的集成商有不同的方案，依据放在后备厢或者底座，电芯的高度和宽度的要求是不一样的，在这里列举了一个我们比较有代表性的方案。

这是常温以及低温下的DCR-Power图。这是3C/3C低温和常温下的循环目前情况。主机厂要求100%DOD  7000—8000圈，目前来说我们的电芯循环还可以，能够达到预期的目标，当然我们也在进行更进一步的优化。

最后把报告做一个总结，我们认为48V系统是在补贴消失，然后新的锂电系统成熟之前的重要过渡阶段。当固态电池甚至锂硫和锂空到来之后电芯的成本和能量密度、快充快放的特性若能够到达和内燃机比较相似的水平，纯电动将会有较大的市场前景。在那之前，48V系统由于其能够以较低的成本达到不错的节能减排效果，因此易于被市场接受，将成为未来一段时间重要的技术路线。主机厂给我们提了电芯的具体要求，其中几个难点是内阻的控制，高低温性能的兼顾，安全，寿命的预测。我们将通过全方位的材料体系优化，机理研究和仿真，逐一解决这些问题。这是我整个报告，谢谢大家！

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