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孚能科技330Wh/kg高能量密度电池技术解析

       2021年4月1日,孚能科技(赣州)股份有限公司发布公告指出公司研发出可达到330Wh/kg高能量密度电池。本文根据自己的电池设计经验和公开资料对330Wh/kg高能量密度电池技术进行解析。

 

       孚能科技总部在美国能源部的资助下,从2017年开始开展一项电动汽车用的高能量密度电池项目。项目重点在于解决实现高容量、长循环寿命和更安全锂离子电池的关键科学与技术问题,总体的技术目标为:
       ▪ 第1年:基准电池,能量密度220Wh/kg
       ▪ 第2年:第1代电池(300Wh/kg)
       ▪ 第4年:第2代电池(330Wh/kg)(原定目标400Wh/kg,降低至330)
 
       为了实现以上目标,首先需要选择与优化正负极材料,在不同正极材料容量(180-240mAh/g)条件下,负极材料容量与电池能量密度的关系曲线如图1所示。为了实现330Wh/kg的目标,采用稳定高镍阴极,容量为200-240 mAh/g;采用硅复合材料作负极,容量为400-600 mAh/g;电解液配方采用氟化溶剂、开发稳定添加剂和锂盐;优化高密度的复合活性材料配方;选择低副反应的导电添加剂、先进的粘合剂配方;采用先进的隔膜:陶瓷涂层、高电压稳定性。
 
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图1 在不同正极材料容量(180-240mAh/g)条件下,负极材料容量与电池能量密度的关系曲线
 
       高能量密度电池基本设计参数如表1所示,基准电池为230 x 160 x 6mm的软包电池,容量为28.5Ah。第一代电池能量密度达到300Wh/kg,采用基准电池一样的尺寸,容量约40Ah。第二代电池容量87Ah,尺寸为294.4 × 100.4 × 14,能量密度达到330Wh/kg。
 
表1  高能量密度电池基本设计参数
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       首先,他们采用单片软包电池对大量的正极、负极材料,导电添加剂,粘结剂和电解液等进行了选择与评价。
 
       正极材料评价与开发
 
      电池的能量密度目标是> 330 Wh/kg,评价了6种正极材料,主要是高镍材料,如高压NCM,含有富锂锰基的NCM和高镍NCA等,容量目标>200 mAh/g,正极材料的容量和首效如下图所示。
 
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       负极材料评价与选择
 
       为了实现电池的能量密度目标> 330 Wh/kg,采用硅基负极,比如Si合金,SiO,Si纳米线和Si纳米颗粒首效需要>90%。3种负极材料的容量和首效如下图所示。
 
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       使用相同的高镍正极材料,匹配3种不同的硅基负极,制作500mAh的单片软包电池。不同硅基负极电池的循环寿命如下图所示,0.5C充电/1C放电 CV C/20 (3-4.2V) @ 30℃条件下,S2电池循环800次容量维持率>80%。
 
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       电解液与粘结剂等采用不同的电解液和负极粘结剂,电池循环曲线如下图所示。电解液E1,并且加入添加剂,负极不采用CMC/SBR粘结剂的电池循环性能最好。
 
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       根据以上信息推断,孚能科技公告的330Wh/kg的高能量密度电池,正极采用克容量大于200mAh/g的高镍正极材料,比如三元材料Ni90,负极采用硅碳复合材料,克容量>500mAh/g,首效>90%,负极不采用CMC/SBR粘结剂,可能是PAA基粘结剂。电解液采用氟化溶剂(FEC)、并添加稳定添加剂。电池容量87Ah,尺寸为294.4 × 100.4 × 14 mm的软包电池。


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