钜大LARGE | 点击量：1662次 | 2018年08月04日
从材料、电芯设计、PACK管理角度解决电池怕冷的焦虑
11月17日，“2017’第二届动力电池应用国际峰会暨第三届中国电池行业智能制造研讨会”继续在北京精彩召开。本届峰会由中国化学与物理电源行业协会和电池中国网共同主办，天津力神电池股份有限公司联合主办；中国化学与物理电源行业协会动力电池应用分会承办，无锡先导智能装备股份有限公司联合承办。参加此次峰会人数超600人。
在动力电池技术创新分论坛上，桑顿新能源科技有限公司研发部总经理苗力孝作主题演讲，从材料修饰、电芯设计、PACK工艺等方面介绍了如何解决电池低温问题的研究进展。
以下为苗力孝演讲内容：
大家上午好！我今天代表桑顿新能源公司来给大家做一个电池低温技术研究进展的报告。低温对电池各项性能的影响都是非常大的，在前面其他公司负责人对电池的一些其他方面研究都进行了介绍，下面我讲一下如何通过材料修饰、电芯设计、PACK工艺等制造技术来解决电池的低温问题。
首先我介绍一下桑德集团，桑德集团是国内领先的生态型环境与新能源综合服务商，他有24年的历史，目前在国内有1400余家下属企业，品牌价值达152亿。现有两家控股参股上市公司，员工6万余人，为我国的在环境领域对废水处理、固废垃圾的处理做出了非常大的贡献，其中固废垃圾每日的处理量就达6万吨，所以在固体废物回收领域具有得天独厚的经验和基础。在新能源行业我们知道电池在使用完后是需要进行回收的，而桑德对电池废固的回收是具有强大的实力和基础。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
我再介绍一下桑顿新能源公司，桑顿新能源公司是桑德集团下属的一个新能源公司，成立于2011年，注册资金25.5亿。公司专注于锂离子动力电池、储能电池及关键材料的研发与生产。公司具有完整的锂电产业链。从前躯体到原材料再到单体电芯，PACK以及还有最后的电池回收等整个产业链。公司位于湖南湘潭，占地面积是三千亩地，第三期目前已经建成，预计在明年3月份，电芯产能将达到8G瓦时。这个表格列的数据是桑顿目前新电源电芯研发的技术水平，目前我们实现量产的三元材料电芯能量密度为220瓦时每公斤，电芯循环寿命为两千次以上。好的我现在介绍一下电池的低温技术。
我们都知道锂离子电池应用范围非常广泛，特别在新能源汽车方面，但是我们国家地域非常辽阔，北方温度在冬天会下降到零度以下，东北一些地方零下20以下都是经常发生的，低温会导致新能源汽车的行驶里程大大缩短，对电池的低温技术，我们公司也需要作出一些解决方案。低温通常会给电池带来四个直接的问题，第一个，由于温度过低的时候，电解液的粘度会增加，第二SEI膜内锂离子传递阻抗会增加，第三锂离正极材料内部离子传递的速度也会变得困难，还有一个非常严重的问题，负极的析锂问题，这些都是低温对电池造成的问题。我们国家幅员辽阔，从长江以北以南两个地方温差比较大，在北方使用纯电动汽车由于气温的降低导致电池的容量无法正常发挥，使得电动汽车在实际应用过程中里程明显缩水，电池的寿命显著缩短。例如在北京气温变化很大，冬天的北京温度变化幅度非常大，最冷时可到零下20度，对电动汽车的电池的考验非常严峻。因此，解决电池的低温问题，对电动汽车的应用特别是在北方地区是非常重要的。
再一个低温给电池带来的问题是充电的时间延长，电池在低温下充电的时候容易导致析锂，所以电池充电之前，一般要对电池进行缓慢加热，等电池温度升高的正常温度以后才开始充电。
通常解决电池低温是从材料修饰、电芯设计及Pack制造三方面进行系统改良，就可以提高现有锂离子电池的低温充电性能和循环寿命。目前汽车动力电池常见的正极材料以三元材料和磷酸铁锂为主，可通过减小粒径，采用纳米技术使得材料的一次颗粒纳米化，从而缩短锂离子的迁移路径；磷酸铁锂可以通过掺杂La、Mg，增大c轴，改变层间距增大锂离子传输通道；在三元NCM表面包覆LBO-S快离子导体以减少SEI的形成，使得锂离子的传输直接可以通过快离子导体进出材料本体。。
对于负极材料，目前常用的石墨负极材料在低温时的嵌锂阻抗明显大于正极脱锂阻抗，导致锂离子可以在低温下相对快速的从正极脱嵌，却无法及时嵌入到负极当中，从而很容易在负极表面堆积引发析锂。现有石墨负极材料可通过包覆、表面氧化、掺杂或包覆其它元素，一方面增加石墨层间距，另一方面加快锂离子在负极表面的去溶剂化速度，从而改善锂离子嵌入石墨负极的速度。另外开发新型的负极材料，例如目前已经产业化的LTO材料，还有一些锂合金材料、锡基负极材料，这些材料本身具备很好的低温性能，一旦可形成商业化产品也会大大的改善锂离子电池的低温性能。
前面改善了负极，后面也有对正极材料的一些辅材，颗粒之间的孔隙，我们通过导电碳的添加，能够改善电池颗粒之间的电子导电性。但对孔隙粒的填充，还要考虑到电解液的晶润，我们在制作极片时，既要考虑到电子导电性，也要考虑它的离子导电性，孔隙率的控制是在正极材料里面也是一个很关键的值。
另外还有导电剂的选择，颗粒状导电剂有乙炔黑、石墨，纤维状导电剂，CNT，可以在电极中构建良好的导电网络，减少电池的极化，有助于提高电池的低温性能，延长电池的寿命。片状导电剂，如新型的石墨烯导电材料，具有超高的导电性、导热性、稳定性，可以显著改善低温性能，添加量的控制是关键，添加量过高反而会阻碍锂离子的传输增加电池内阻。再一个就是粘合剂，我们常用的粘合剂基本是不导电的，未来要开发能够传导锂离子的一些粘合剂。
前面讲了正极，负极，下面讲下电解液，电解液主要分为锂盐、溶剂和添加剂这三部分，通过对这三大类进行有效的改进，能够很好的提高电解液的低温性能。特别是锂盐，添加一些硼酸盐有助于在材料表面形成一个比较好的稳定的SEI膜，有利于锂离子的扩散。再一个就是溶剂，溶剂有很多类，不同的溶剂有不同的优缺点，通过配置一个合理的比例，能够改善电解液溶剂的低温性能。
其次一个就是添加剂，我们知道做锂离子电池，每个公司都有它一些保密的配方。其中最主要的一个就是核心添加剂的种类和添加量，通过添加不同的添加剂，可以对电池的低温性能起到非常明显的改善。
最后还有相变材料，相变材料的使用方式分为两种，一个是直接在极片制作过程中添加进去，另一个是在电池的外表面，通过它相变在电池发热的时候吸热，电池在温度低的时候，再把热量放出来，一个很简单的原理。相变材料的种类目前可以分为一个固液相变，还有固固相变；固液相不能添加在电池材料里面，可能会和正负极发生反应，它适合在单体电池做管理系统的一些热量交换。固固相变材料就可以加入到正负极材料里面，在材料里面使得材料之间的温度变化更加均匀。相变材料也是最近这几年受到大家的重视，目前还不是很成熟。
还有一个新的理念，叫全气候电池，我们知道我们国家冬奥会要开，在冬天如何使这个电池能够快速的加热，我们现在一般是通过外部的加热片，对电池进行一个缓慢的升温。这是发表在自然上的一篇文章，他有一个新的概念，叫自加热电池，我们以前设计方案就是把各种加热片加热膜贴在电芯的外壳，这个自加热电池了，它的思路是把加热片嵌入到电芯里面，非常简单的一个想法。类似于我们烧开水一样，我们以前是在用热水壶烧，现在他相当于用了一个热得快，直接从电池的内部进行加热。在正负极片之间加入了加热片，通过开关电路控制，实现对电池的加热。从内部对电池的加热的速度是非常快的，一般可以在几十秒内使电池的温度升到常温，然后就可以进行充放电了。内加热的效率要远远高于外部加热，并且能耗更低，比现有电池表现出来更好的低能性能。在续航能力、充电时间以及使用寿命实现大幅改善。全气候电池较18650电池提高零度下续航里程110%，在零下30度实现15分钟快速充电，充电速度是现有电池的11.4倍，，并且电池的循环寿命较现有电池延长40倍。
解决电池低温问题的最后一个技术路线是设计合理的PACK热管理系统。Pack设计改善方案由隔热保温层、电加热片、液冷热管理3个部分构成。可以通过更加合理的PACK热管理设计，贴加热膜和选用导热系数更低、成本更低廉、质量更轻的新材料对电池外面进行加热保温可实现低温下电池正常工作，但在夏天高温时又不利于电池的散热，因此相比固体隔热加热装置，利用惰性液体对电池进行热管理，可更灵活的控制电池温度，例如国内外的典型产品如宝马i3、特斯拉、通用沃蓝达（Volt）、华晨宝马之诺、吉利帝豪EV等，都采用的是液冷系统。目前该方案对电池的热管理效果较明显，但复杂程度高、成本高、致冷液易泄露等问题还尚需要进一步的完善解决。
最后总结一下，要通过材料修饰、电芯设计、Pack设计三个方面，系统的进行改进以改善电池的低温性能，最后使得电池在低温下能够完全发挥出正常的容量。我的报告就到这里，谢谢大家。
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