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中航锂电通过高电压技术解析打造硬核产品力

2021-07-22 16:38:45 中国航空新闻网 中航锂电

传统动力锂离子电池正极材料主要有磷酸铁锂和三元材料两类。三元材料呈现天然的层状结构,通过锂离子在其层间的嵌入和脱出实现能量的储存和释放。随着客户市场对续航里程需求的进一步提升,如何提高锂离子电池的能量密度成为行业关注的热点。高电压技术指通过提升三元正极充电上限电压来提升材料的脱嵌锂能力实现电池能量密度的大幅提升。同时,由于三元材料在高电压下依然保持了高的氧结合能力,该技术在提高能量密度同时可以有效兼顾安全性能。

但高电压技术在产品端的真正应用面临两大核心技术问题:

由于要耐受更高的电压,三元材料自身体相结构和界面保护需要做到精细化设计以对抗高电压下的结构劣化和界面副反应;

低温和低SOC条件下的动力输出能力较差,影响整车的客户体验。

图1 锂离子电池工作原理示意图

针对上述两大核心问题,中航锂电研发团队深入机理分析,通过精准根因定位,联合项目攻关,实现了一系列核心技术突破:

1 体相原子层级均匀掺杂技术

体相原子层级均匀掺杂技术构筑内部高速、稳定Li+扩散通道:对于高电压三元正极,Li离子在体相的嵌入-脱出需要克服一定的能量势垒实现更长的传输距离,低温或者低SOC下,该势垒增加显著。同时,在后续反复的充放电使用过程中,正极体相由于结构不稳定局部相变会进一步加剧Li+传输阻力。针对该问题,通过层间原子层级的元素掺杂,一方面拓宽Li+传输通道,有效提升Li+扩散速率,另一方面,增强氧键合能力,提高结构强度,显著抑制过程中结构相变的发生,进而在对于高电压三元正极内部实现了高速、稳定Li+扩散通道的构筑。

2 界面靶向多元素协同包覆技术

界面靶向多元素协同包覆技术,实现高导锂、“低”氧化活性双重功效:高电压条件下,正极界面长期处于高氧化状态,催化氧化电解液溶剂分解进而引发电解质分解、HF酸产生、新鲜界面暴露、加剧分解等一系列链式反应,加剧性能的劣化。特别是高温条件下,正极界面与电解液的交互反应更加剧烈。如何在实现“低”氧化活性同时保证界面高导锂特性是解决问题的核心也是行业难点。通过不断的技术攻关,在界面均质形成快离子导体同时针对高电子反应活性的位点进行诱导靶向包覆钝化元素实现了“低”氧化活性和高导锂两大功能的完美兼顾。该技术的开发在显著提升高电压化学体系高温寿命的同时实现了动力输出能力的大幅提升。

3 高效钝化电解液添加剂设计技术

高效钝化电解液添加剂设计技术,原位构建正极界面纳米防护层,协同界面包覆技术,使得界面氧化活性由“低”降“零”,彻底突破了高电压化学体系高温寿命的行业瓶颈:如上所述,高电压和高温条件下,正极界面和电解液的链式反应是高电压化学体系高温寿命失效的原因。通过高效钝化正极成膜添加剂的设计,在正极材料界面原位可控催化形成纳米CEI膜,不影响动力输出同时彻底解决高电压正极界面活性问题。

通过精准定位,中航锂电从根本上解决了高电压三元化学体系的行业难题,完美的实现了高能量、高安全、强动力和长寿命的兼顾,并成功的将上述核心技术推向产品。

图2 高电压NCM材料

2018年底,中航锂电第一代高电压产品一经推出市场,便得到广大客户认可,成功搭载长安、吉利、小康、广汽等主力车型。2019年底,随着第二代高电压产品推出,中航锂电三元产品力进一步提升,在各主力客户的渗透率大幅增加。2020年,中航锂电5系高电压产品能量密度达260Wh/kg,并实现高安全不起火、长寿命不衰减、全气候适应性,且兼具成本优势。同时,为了进一步提升高电压产品的能量密度,中航锂电目前已经完成了下一代6系高电压技术的开发,在安全性能进一步提升的前提下,产品能量密度达到280Wh/kg。相关产品已在客户端有序推广,市场竞争力显著,为行业提供了一条高能量技术及产品路线选择。中航锂电将继续秉承“持续创新,造福人类”的使命,在技术创新、产品创新道路上不断前行!

责任编辑:intern