解密高比能電芯！欣旺達電動汽車電池梁世碩：堅持混動和純電發(fā)展策略
日前，在“2022中國（遂寧）國際鋰電產(chǎn)業(yè)大會暨新能源汽車及動力電池國際交流會”的“迎接新能源汽車快充時代”主題論壇上，欣旺達電動汽車電池有限公司中央研究院副總經(jīng)理梁世碩博士圍繞“高比能動力電芯的挑戰(zhàn)和開發(fā)策略”作主題演講。
截至目前，中國新能源汽車產(chǎn)銷量已連續(xù)七年領(lǐng)跑全球。在過去幾年里，新能源汽車應(yīng)用場景中涌現(xiàn)出眾多品牌的動力電池，優(yōu)勢各異、鏖戰(zhàn)尤酣。成立于2014年的欣旺達電動汽車電池有限公司，面對激烈的市場競爭，選擇了“左手混動，右手純電”的發(fā)展策略，全面布局交通運輸、新能源等領(lǐng)域，并通過技術(shù)創(chuàng)新、精細化運營，提供有競爭力、情景化的動力電池解決方案。
發(fā)展至今，欣旺達電動汽車電池有限公司取得了令業(yè)界矚目的豐碩成果。梁世碩介紹道，“2022年 1-9月，HEV電池裝機量欣旺達排名國內(nèi)第一位，動力電池裝機量排名國內(nèi)第五位、全球第九位?！狈€(wěn)坐動力電池領(lǐng)域頭部陣營。
全球化布局方面，梁世碩表示，“欣旺達被評為全球動力電池TIER 1生產(chǎn)商［有資格供應(yīng)超過1家跨國OEM/EV生廠商（海外市場），且年累積產(chǎn)能＞5GWh］，是全球9家獲此殊榮的行業(yè)企業(yè)之一?！?/p>
如今的欣旺達不僅研發(fā)能力強勁，授權(quán)專利數(shù)超1200項，研發(fā)設(shè)備超3000套，研發(fā)人員超1500人，其中博士超100人；而且現(xiàn)已建成及在建動力電池生產(chǎn)基地8個，分別是廣東惠州、江蘇南京、江西南昌、山東棗莊、四川德陽、浙江義烏、湖北宜昌和海外基地，規(guī)劃產(chǎn)能超500GWh。
欣旺達并不滿足于現(xiàn)狀，積極進軍高比能動力電池市場。梁世碩在此次交流會上分析了高比能動力電芯市場的機遇和挑戰(zhàn)，并分享了含金量十足的欣旺達開發(fā)策略和進展。
當前，電動汽車市場的主要焦慮包括里程、充電、保值、安全隱患四個方面。
梁世碩指出，“為緩解里程焦慮，電動汽車裝電量及續(xù)航里程呈逐年增長的趨勢，預(yù)計后續(xù)標桿車型裝電量將達150KWh，續(xù)航超過1000km。高裝電量的同時，為保持寬敞的車內(nèi)空間并減少車輛總重量，高比能（高體積能量密度及高重量能量密度）電芯成為首選?！?/p>
據(jù)介紹，“在高比能電芯規(guī)劃方面，欣旺達動力電池兼?zhèn)涓吣芰棵芏群涂斐湫阅?，能量密度覆蓋280Wh/kg-350Wh/kg，實現(xiàn)15/20/30分鐘快充，系列產(chǎn)品都將陸續(xù)推向市場?！?/p>
梁世碩認為，“目前市場上廣泛應(yīng)用的是鎳三元和石墨體系，要達到高比能，高鎳三元和硅基是必經(jīng)之路。而這兩種材料在電芯循環(huán)、膨脹及安全方面帶來了很大的挑戰(zhàn)?！彼麖娜齻€方面做出詳細分析。
高鎳正極材料的挑戰(zhàn)：
一是Ni含量升高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，更易發(fā)生不可逆相轉(zhuǎn)變，伴隨晶格失氧，導(dǎo)致循環(huán)和安全性能惡化。二是Ni4+氧化性強，高鎳材料失氧溫度更低，失氧量更大，導(dǎo)致循環(huán)產(chǎn)氣，安全性能惡化。三是高鎳材料充放電過程中c參數(shù)變化更為劇烈，顆粒破碎加劇，導(dǎo)致循環(huán)和產(chǎn)氣惡化。
硅基負極的挑戰(zhàn)：
嵌鋰過程伴隨劇烈膨脹，脫鋰后材料收縮，體積反復(fù)變化導(dǎo)致材料粉化或從集流體上脫落；同時造成界面暴露在電解液中，不斷形成SEI膜，導(dǎo)致內(nèi)阻增加，同時惡化存儲和產(chǎn)氣；脫嵌鋰體積變化和體相電阻高的特性，容易造成循環(huán)過程中脫離電接觸，加快容量衰減。
硅基電解液的挑戰(zhàn)：
硅負極的膨脹使電解液很難形成穩(wěn)定SEI膜；高含量FEC與鋰鹽相互促進分解，生成HF，破壞正負極界面、腐蝕活性材料顆粒；匹配高電壓三元正極或高鎳正極時，界面氧化性強催化電解液分解；應(yīng)用方面，常規(guī)電解液添加劑一般會使電池的DCR增長，從而不利于快充性能。
針對以上挑戰(zhàn)，欣旺達提出他們的開發(fā)策略。
高鎳材料開發(fā)上：梁世碩表示，“一方面，由團隊自主開發(fā)的機器學(xué)習(xí)力場勢函數(shù)，實現(xiàn)材料精確計算，針對高鎳體系，計算了近30種摻雜元素的影響，結(jié)合Li/Ni交換能等多緯度計算結(jié)果，優(yōu)選出了提升材料循環(huán)壽命和安全性能的最優(yōu)摻雜元素。”
另一方面，體相均勻摻雜工藝和晶面取向調(diào)控也是高鎳材料開發(fā)的重點和難點。“提升制作工藝，調(diào)控前驅(qū)體晶須形貌和燒結(jié)，減少失氧，緩解顆粒開裂，進而提升循環(huán)性能和安全性能?！?/p>
氧化硅材料探索上：梁世碩表示，通過仿真計算，調(diào)控氧含量材料體積膨脹可降低一半。此外，通過調(diào)控硅酸鹽相、摻雜技術(shù)，使快充性能明顯提升。
電解液改善策略上：調(diào)配并使用的硅負極成膜添加劑、除酸添加劑、耐氧化溶劑、新型成膜添加劑成功解決SEI膜、HF腐蝕、改善產(chǎn)氣、耐壓性、相容性等問題。提高了電解液循環(huán)能力和存儲能力。
以欣旺達300Wh/kg高比能電芯為例，已具備長壽命、低循環(huán)膨脹率、高安全可靠性、模組無熱擴散等優(yōu)勢。梁世碩介紹道，“在三亞市實際運行工況下，欣旺達高比能電芯服務(wù)壽命可達8年且16萬公里質(zhì)保壽命SOH_均值為：82.33%，滿足80%的能量保值率要求。同時，電芯EOL滿電膨脹率及滿電膨脹力值均顯著低于客戶要求，實現(xiàn)低循環(huán)膨脹率。在60 ℃ 極端自然環(huán)境下對電芯進行外短路、過充、雨淋、電擊測試：不起火、不冒煙、不漏液；淺表針刺和暴力撞擊測試：只漏液，不起火、不冒煙。說明該電池具有極高的安全可靠性！”
欣旺達高比能電芯電池模組是當前市場上最安全的電池模組之一。通過先進的熱阻斷材料、液冷工藝和模組設(shè)計，欣旺達高比能電芯成功實現(xiàn)電芯之間熱阻隔，減少電芯間異常反應(yīng)對臨近電芯的影響，有效提高電池模組維修和使用的經(jīng)濟性。
同時，通過優(yōu)異的模組設(shè)計，提高電芯冷卻性能和阻隔電芯間的異常熱量傳導(dǎo)，實現(xiàn)電芯不起火、不傳燒，從而實現(xiàn)經(jīng)濟實惠、安全耐用的產(chǎn)品開發(fā)目標。
產(chǎn)業(yè)布局方面，梁世碩表示，“欣旺達將堅持混合動力和純電動力電池并重的發(fā)展策略，助力交通運輸領(lǐng)域等雙碳目標的達成。”
產(chǎn)品矩陣中，據(jù)梁世碩介紹，“欣旺達HEV電池產(chǎn)品，已具備最高100C高倍率放電能力，50000次循環(huán)壽命，以及高安全可靠性，目前已向雷諾、日產(chǎn)批量供貨，與85%國內(nèi)主流車企形成合作，海外定點企業(yè)也達11家，包括德國大眾集團。”
超級快充電池產(chǎn)品，已實現(xiàn)充電五分鐘續(xù)航200km的能力，目前小批量量產(chǎn)，合作車企有9家，批量化市場應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)先。
此外，欣旺達ESS 磷酸鐵鋰電芯實現(xiàn)6000-16000次循環(huán)壽命，已向國內(nèi)外頂級儲能客戶批量化交付。高比能BEV三元電芯，正在開發(fā)280Wh/kg-350Wh/kg電芯，將滿足國內(nèi)外客戶長續(xù)航高端車型需求。
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