苗力孝博士:解決電池低溫技術,動力電池應用將迎曙光
2017-11-20

一個產業的發展,必將帶動一個產業集群的發展。新能源汽車特別是純電動汽車的蓬勃興起,電動汽車、動力電池,以及與動力電池產業密切關聯的回收、梯次利用、后市場等市場,展現出蓬勃的生命力,同時這些領域的痛點和難點問題引起行業專家及企業界人士高度關注。

 

在此背景下,2017年11月15-17日,以“突破·決勝:高成本下的新機遇”為主題的“2017’第二屆動力電池應用國際峰會暨第三屆中國電池行業智能制造研討會”在北京召開,就新能源汽車及動力電池一年來的發展成就、存在問題、解決方案、發展機遇等進行深入探討,幫助解決產業發展難題,推動產業可持續發展。17日上午,桑頓新能源研發部總經理苗力孝博士應邀出席會議并圍繞“電池低溫技術研究進展”做主題報告。

 

眾所周知,鋰離子電池市場需求廣泛,鋰離子電池本身的優點,無論是日常使用的數碼產品,還是對于航天、航空、軍事領域來說都極具誘惑力。隨著鋰離子電池的廣泛應用,鋰電時代早已來臨。但伴隨著鋰電產業的發展,鋰電技術研究不斷突破,鋰電池在應用中產生的諸多問題也隨之而來,其中最突出的莫過于環境溫度對鋰電產品的制約。

根據調查數據顯示,日常使用的3C電子產品工作溫度介于-20~60℃,家用汽車的動力電池低于-30℃則無法正常工作。目前,中國北方地區冬季溫度普遍低于0℃,在極寒地區甚至低于-30℃,而所有LFP電芯在-20℃以下均不能放電,只有部分廠商提供的三元材料電芯,放電工作溫度可低至-30℃。惡劣的環境極大縮短了電池的壽命。根據美國波士頓電池公司提供的資料,一塊容量為3500mAh的電池,如果在-10℃的環境中工作,那么經過不到100次充放電循環,電量就將急劇衰減至500mAh,這對于電動車性能、續駛里程、動力特性、壽命、充電時間、安全性均產生著惡劣的影響,對鋰電產業乃至新能源汽車產業發展無疑是阻礙,而對于各新能源汽車以及電池企業來說是一次挑戰。

桑頓新能源研發部苗力孝博士表示,鋰離子電池對于工作環境的溫度敏感,導致鋰電池在低溫情況下面產生諸多問題,甚至可能引發電池內部短路造成電池起火爆炸的安全隱患。因此,解決鋰離子電池低溫問題對實現我國新能源電動汽車的健康發展至關重要。

 

    行業內諸多專家學者曾表示,當前,新一代信息通信、新能源、新材料等技術與汽車產業加快融合,產業生態深刻變革,競爭格局全面重塑。工業和信息化部、國家發展改革委、科技部聯合印發了《汽車產業中長期發展規劃》 為汽車產業發展確定了“力爭經過十年持續努力,邁入世界汽車強國行列”的總目標,新能源汽車產業成為了突破口,而新能源汽車產業電池是核心,電池技術發展的關鍵在于是充電技術的突破,環境溫度對鋰電池技術的桎梏目前已成技術短板,若不能攻克這個難題,勢必會影響到整個行業。電動汽車低溫特性改善迫在眉睫。那么,對于低溫問題能否得到改善甚至解決的問題,苗力孝博士給出了肯定的答案。

    實現動力電池的全氣候工作以及低溫長壽命決定了鋰離子電池在動力領域的地位和未來,根據目前國內外的研究,可從三個方面入手,材料修飾、電芯工藝、PACK系統設計三個方面整體的改善和提高,實現鋰離子電池的全氣候工作和低溫長循環壽命,保障新能源汽車在低溫和高溫條件下實現正常的續駛里程,降低能源消耗。

材料方面改善

 

苗力孝博士指出,材料一次顆粒的納米化,摻雜雜原子于包覆是改善電池低溫性能的關鍵。目前汽車動力電池常見的正極材料以三元材料和磷酸鐵鋰為主,可通過減小粒徑,采用納米技術使得材料的一次顆粒納米化,從而縮短鋰離子的遷移路徑;磷酸鐵鋰可以通過摻雜La、Mg,改變層間距增大鋰離子傳輸通道;在三元NCM表面包覆LBO-S快離子導體以減少SEI的形成,使得鋰離子的傳輸直接可以通過快離子導體進出材料本體。另外通過優化電解液的組成以及優化正、負極材料等方式也可以進一步改善電池的低溫性能。

 

電芯設計改善

 

在會上,苗力孝博士介紹了在國際頂級期刊《Nature》的一篇研究成果--全氣候電池,該項技術通過在電芯內部放置加熱片,通過開關電路,控制內加熱回路實現電池內部自加熱。由于內加熱的效率要遠遠高于外部加熱,并且能耗更低,所以比現有電池表現出來更好的低能性能。在續航能力、充電時間以及使用壽命實現大幅改善。全氣候電池較現有18650電池在零度下續航里程可提高110%,在零下30度實現15分鐘快速充電,充電速度是現有電池的11.4倍,并且電池的循環壽命較現有電池延長40倍。由此可見,通過電芯工藝方面的改善提高電池低溫性能仍有空間。 

 

Pack設計改善

    苗力孝博士指出,可以通過更加合理的PACK熱管理設計,目前普遍采用的貼附加熱膜和保溫材料對電池進行加熱保溫來實現低溫下電池正常工作,但在夏天高溫時又不利于電池的散熱。因此苗力孝博士表示,相比固體隔熱加熱裝置,利用惰性液體對電池進行熱管理,可更靈活的控制電池溫度,例如國內外的典型產品如寶馬i3、特斯拉、通用沃藍達(Volt)、華晨寶馬之諾、吉利帝豪EV等,都采用的是液冷系統。目前該方案對電池的熱管理效果較明顯,但工藝復雜、成本高、致冷液易泄露等問題還尚需要進一步的完善解決。

未來已來,電池低溫技術盡管仍有問題尚待解決,鋰離子動力電池的問題研究任重而道遠,唯有通過一次次不懈努力的變革和創新,不斷堅持,才會在鋰離子動力電池應用領域迎來新的曙光。桑頓新能源也將加快腳步,突破桎梏,開啟動力電池應用領域新紀元。

 

 

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