梁成都：高能動(dòng)力電池先進(jìn)材料
5月22日，CIBF2018 第十三屆中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)展覽會(huì)在深圳會(huì)展中心開(kāi)幕。郭永勝（音）代替寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司梁成都博士在技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。以下是演講正文：
謝謝黃老師的介紹。今天本來(lái)是我們梁總過(guò)來(lái)，他臨時(shí)有一個(gè)很重要的事情，過(guò)不來(lái)，所以委派我過(guò)來(lái)給大家作匯報(bào)。
我今天講的是“高能動(dòng)力電池之先進(jìn)材料”，上午肖老師把國(guó)家層面的整體上的技術(shù)路線和國(guó)內(nèi)的動(dòng)力電池技術(shù)路線跟大家講了一下，國(guó)家到2020年300WH/KG的電池體系到底怎么實(shí)現(xiàn)？材料是起到很關(guān)鍵的作用。
電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展史，電動(dòng)汽車(chē)不是一個(gè)很新的東西，電動(dòng)汽車(chē)比燃油車(chē)發(fā)展的歷史還要早。但是在100多年，電動(dòng)汽車(chē)和燃油車(chē)一直在競(jìng)爭(zhēng)。在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中就是電池的競(jìng)爭(zhēng)，就是電池的發(fā)展，這一百多年在動(dòng)力電池，到底什么樣的動(dòng)力電池適合電動(dòng)汽車(chē)，真正到鋰離子電池的2010年，差不多逐步在用到電動(dòng)汽車(chē)上，最近幾年全球發(fā)展，鋰電池算是主流。燃料電池也是主要的技術(shù)路線，但是整體的產(chǎn)業(yè)線還是動(dòng)力電池和鋰電池比較成熟。總體電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，大家可以看一下，剛開(kāi)始鉛酸逐步到鎳氫到后面的鋰離子電池，總體的電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵是能量密度夠不夠用，它的成本夠不夠低。這是兩個(gè)非常大的關(guān)鍵因素。
鋰離子電池的發(fā)展，高能量密度是非常重要的方向。目前電動(dòng)汽車(chē)正在用的，2017年三元材料在乘用車(chē)上是主流，到2020年，高鎳的三元材料+硅基的負(fù)極，滿足300WH/KG的動(dòng)力電池體系，我今天主要講的內(nèi)容是這個(gè)體系，高鎳材料和硅材料CATL的進(jìn)展。到2025年，整個(gè)的技術(shù)路線是會(huì)往固態(tài)化發(fā)展，2025年還是液態(tài)鋰離子電池為主，固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展，包括剛才陶亮博士也講了，如果固態(tài)電池不用鋰金屬，能量密度上就沒(méi)有業(yè)態(tài)的鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)大，它為什么能替代傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池？長(zhǎng)期發(fā)展的技術(shù)路線是鋰離子的固態(tài)電池。
高鎳材料，高鎳材料面臨很多的挑戰(zhàn)，鎳含量越高結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，面臨的問(wèn)題主要是顆粒的破裂和表面反應(yīng)產(chǎn)氣，高鎳的三元?jiǎng)恿﹄姵孛媾R最大的問(wèn)題。對(duì)材料本身有些感性的手段，整個(gè)是在表面有一個(gè)包覆，其實(shí)表面包覆加攙雜，這是解決高鎳材料核心的策略。
包覆已經(jīng)快離子導(dǎo)體（音），包覆以后減少電解液和高鎳材料的本身的接觸。活性位點(diǎn)，這樣它的產(chǎn)氣會(huì)大大的減少，循環(huán)穩(wěn)定性會(huì)提高很多。在攙雜的過(guò)程中到底攙什么穩(wěn)定？我們知道高鎳的材料是結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定，一個(gè)是表面的嗜氧（音），是結(jié)構(gòu)決定的，嗜氧，要攙雜什么元素能穩(wěn)定氧？我們做了很多仿真的工作，通過(guò)仿真來(lái)指導(dǎo)我們做實(shí)驗(yàn)，來(lái)改進(jìn)材料。表面嗜氧的活化能的幾個(gè)參數(shù)。過(guò)渡金屬和氧的結(jié)合能，這個(gè)結(jié)合能越大，它結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。攙雜一個(gè)金屬，來(lái)使得過(guò)渡金屬和氧的結(jié)合越強(qiáng)越好。另外811材料，在循環(huán)脫離過(guò)程中，材料的體積變化，材料的膨脹、收縮問(wèn)題也很大，最終會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池循環(huán)過(guò)程中，二次顆粒會(huì)破碎，破碎以后，整個(gè)的性能就很難達(dá)到動(dòng)力電池的要求。這個(gè)怎么樣讓它的材料本身循環(huán)的膨脹、收縮降低一些？這是很關(guān)鍵的因素。
通過(guò)仿真和計(jì)算找到攙雜的元素去改善這樣的問(wèn)題，循環(huán)600周，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)攙雜原始的材料，循環(huán)600周，顆粒內(nèi)部是一個(gè)完全有破裂，這樣電池的性能會(huì)非常差。經(jīng)過(guò)doping的技術(shù)，看循環(huán)600周以后，看電池材料本身的顆粒還可以保持原來(lái)的形貌。目前我們?cè)诟哝嚨?11材料的體系，在4.25V，基本上滿足國(guó)家動(dòng)力300WH需求，基本上是完全能滿足的。無(wú)論是在存儲(chǔ)還是在安全方面，材料本身的問(wèn)題已經(jīng)解決。
負(fù)極，一個(gè)非常關(guān)鍵的材料，負(fù)極是氧化亞硅材料，各位都是專(zhuān)家，氧化亞硅兩大問(wèn)題，一是首效（音），二是顆粒的膨脹、破碎的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題怎么解？科學(xué)上有很多的解決方法，我們主要是從工程手段解決這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)策略是用瘀泥化，它的首效低，先給你一些鋰，先給你補(bǔ)過(guò)來(lái)。另外它的膨脹，我想怎么給它包覆一個(gè)非常具有彈性，又有強(qiáng)度的一層包覆層。這樣保證顆粒在循環(huán)過(guò)程中不破碎，這是體積膨脹的問(wèn)題。我們用瘀泥化的手段來(lái)提升氧化亞硅首次效率，另外我們給它人造一層SEI膜，這層非常有彈性，又能把材料均勻包覆進(jìn)來(lái)。這個(gè)材料本身還需要具有很好的離子導(dǎo)電性，不然沒(méi)有辦法work。這樣改善氧化亞硅的問(wèn)題，基本上都有很明顯的提高。不包覆很容易內(nèi)部破壞，經(jīng)過(guò)包覆以后，到電池失效以后，它整體的顆粒形貌還可以保持和初始差不多。這樣保證了材料整體上體系，300WH/KG的化學(xué)體系循環(huán)性能，常溫在1500，45度基本上在850-900的水平。
電解液的問(wèn)題，這兩種正極材料和負(fù)極材料帶來(lái)的問(wèn)題。電解液配套的相應(yīng)也要改，這個(gè)怎么改？根據(jù)正極材料的特性，高鎳材料帶來(lái)的一系列問(wèn)題，鎳融出，主要在電解樣的改進(jìn)，主要是溶劑體系的改進(jìn)，還有添加劑對(duì)于高鎳材料的保護(hù)問(wèn)題。怎么用電解液的手段改進(jìn)正極材料的性能，811材料產(chǎn)氣是非常大的問(wèn)題。通過(guò)電解液也是能有一個(gè)綜合的改善手段，能顯著降低產(chǎn)氣性能。電解液還能抑制鎳的穿梭，因?yàn)殒嚭苋菀兹诔觯诔鲆院笤谪?fù)極沉積，這樣對(duì)電池的性能急劇惡化，用特殊的添加劑就可以把這個(gè)改善很明顯。
總結(jié)，300WH/KG的動(dòng)力電池，化學(xué)體系，全球都認(rèn)定了就是高鎳+硅，怎么樣做到性能滿足動(dòng)力電池用的要求？負(fù)極和正極材料本身的改進(jìn)很重要。電解液，電解液是把添加劑和溶劑是改進(jìn)很大的方向。
以上就是我的報(bào)告。謝謝大家！
主持人：謝謝郭博士的精彩報(bào)告。
提問(wèn)：碳硅的負(fù)極離子孔隙率多少？
郭博士：20%-30%。
提問(wèn)：充滿電不膨脹？
郭博士：膨脹是用包覆的有效手段，瘀泥化可以降低膨脹，它本身的膨脹可以解決。
提問(wèn)：膨脹不影響孔隙率嗎？
郭博士：膨脹肯定會(huì)影響一點(diǎn)，因?yàn)槲覀冞@個(gè)材料本身通過(guò)瘀泥化以后，本身已經(jīng)是膨脹的狀態(tài)，充放電過(guò)程中不會(huì)有太大的變化。
提問(wèn)：我們做過(guò)復(fù)合的，充滿電以后，剛開(kāi)始放電的功率很小。
郭博士：是，所以這里面你一定要找非常好的導(dǎo)鋰離子特性的包覆層才有效。
提問(wèn)：我看你們度薄膜，是度
郭博士：鍍?cè)赑artic（音）上面。
提問(wèn)：一般多厚？
郭博士：沒(méi)有辦法說(shuō)。
提問(wèn)：郭博士的報(bào)告很精彩，你的硅或者氧化亞硅是怎么瘀泥化，用泥粉還是其他的？
郭博士：預(yù)鋰化的過(guò)程就是怎么把鋰放進(jìn)來(lái)，大家可以想，但是具體怎么樣放鋰粉或者其他的，可能每個(gè)人想的都不一樣。具體的我們可以私下交流。
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審閱）
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