12月13日-14日，以“風(fēng)起云涌、敬畏與生存”為主題的2018中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)峰會暨第五屆中國動力電池大會在深圳召開。本次盛會，共有30余位行業(yè)專家發(fā)表主題演講，吸引到來自材料設(shè)備、動力電池、新能源汽車領(lǐng)域600余位產(chǎn)業(yè)家和企業(yè)代表，共同探討新能源汽車共同趨勢，交流解決方案。

12月14日，寧德新能源材料科學(xué)家鄭建明博士以《高能量密度電池體系材料開發(fā)與挑戰(zhàn)》為題進(jìn)行了演講，以下是根據(jù)現(xiàn)場速記整理出的演講內(nèi)容：    

寧德新能源材料科學(xué)家鄭建明博士：各位專家、各位領(lǐng)導(dǎo)早上好，很榮幸受到大會的邀請?jiān)谶@里和大家做技術(shù)分享。

鄭建明博士演講圖

我叫鄭建明，在國內(nèi)廈門大學(xué)到美國國家實(shí)驗(yàn)室，干了六年時(shí)間，去年時(shí)候回到ATL，在研究院從事新材料開發(fā)，今天主要從材料開發(fā)角度和大家做分享。首先介紹一下ATL。我們最早于1999年成立于中國香港，后來我們總部是定于福建省寧德市，我們在東莞還有另外一個(gè)生產(chǎn)基地以及PACK工廠，我們PACK工廠業(yè)務(wù)拓展到印度、美國加州。

我們公司產(chǎn)品應(yīng)用主要還是定位于SAI產(chǎn)品，我們是來學(xué)習(xí)的，我們在動力電池方面做得不是特別多，在近年來將我們應(yīng)用市場拓展到動力，應(yīng)用在無人機(jī)、掃地機(jī)器人、小型動力體系。根據(jù)日本的調(diào)查報(bào)告，我們排名暫時(shí)排名第一。市場拓展是從藍(lán)牙筆記本、手機(jī)、無人機(jī)、手環(huán)、游戲機(jī)等，將來拓展家庭儲能。

我們公司的市場占有率從統(tǒng)計(jì)來看，我們每5臺筆記本就有一臺是用我們ATL電池，每2臺手機(jī)、每2臺Pad、、每2臺手環(huán)，都是用我們ATL的電池。從剛開始到2018年，公司生產(chǎn)總電池?cái)?shù)超過50億顆，如果和動力電池生產(chǎn)相比，用GWh來說的話，ATL算是一個(gè)小公司。

接下來是結(jié)合我在材料研發(fā)當(dāng)中的理解和大家做一些分享，純屬一家之言，講錯(cuò)，請批評指正。我們還是圍繞高能量密度、高安全以及比較合理的Cost，能量密度在275Wh/kg，還有能量密度在800Wh/L。從材料體系來看，正極材料用的鋰鈷。如果算能量密度從右圖來看，三元像622、811能量密度將比我們鋰鈷有優(yōu)勢，特別是對車載電池來說，重量密度是比較關(guān)鍵的因素，是三元材料應(yīng)用會以鋰鈷為多，如果不考慮Cost的情況下。在鋰鈷方面我們主要策略是不斷提高充電電壓，在提高充電電壓的時(shí)候可以看到客容量是不斷提升，我也發(fā)現(xiàn)隨著客容量提升，循環(huán)壽命逐漸縮短，我們現(xiàn)在看的是4.48V體系，現(xiàn)在我們往4.53、4.55開發(fā)，挑戰(zhàn)還是比較大的。

從材料結(jié)構(gòu)屬性理解來看，我們知道在比較少的脫鋰量來看，這個(gè)隔離性比較高。從脫鋰量的提升，我們甚至到了O1項(xiàng)的轉(zhuǎn)變，材料在沖到4.55V，對應(yīng)0.8鋰的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候材料會發(fā)展比較大的相變，甚至發(fā)生坍塌，這是一個(gè)主要的挑戰(zhàn)。這和我們幾個(gè)案例和大家做分享，高電壓體系俯沖材料衰變，高電壓4.5V俯沖材料發(fā)現(xiàn)破壞存在，材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)轉(zhuǎn)變了。

在材料高電壓過程中也會氧化電解液，電解液酸度逐漸增加，材料受到電解液的腐蝕影響，鈷的熔出不斷加劇，沉積到石墨表面。在俯沖過程中伴隨其他負(fù)反應(yīng)變化，比如陽極SEI的增厚和過度的脫鋰。另一方面材料熱穩(wěn)定性也做了一些研究，我們發(fā)現(xiàn)材料事實(shí)上在加溫到150℃的時(shí)候開始釋氧，我們發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，在190℃以下的時(shí)候是比較緩慢的過程，到190℃以上甚至200℃以上的時(shí)候，相變急劇增加。

我們采用的手段主要是兩大方面，一個(gè)是通過材料摻雜和包覆，摻雜可以分為兩大類，我們可以有摻雜不要太多元素，可以提到支撐的鈷的作用。這是我們包覆的例子，在經(jīng)過包覆之后，有一個(gè)包覆5-10納米的包覆層，在這個(gè)階段上，會有一個(gè)過渡層，說明包覆和熱處理的過程中，有一部分元素發(fā)生了互相的遷移，這個(gè)對材料起到很好的作用。我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過表面包覆，在4.48V體系的時(shí)候，我們可以進(jìn)一步提升50-100萬壽命，包覆之后事實(shí)上對表面界面穩(wěn)定性起到改善作用。

第二方面是講一下剛才介紹到我們也在嘗試做動力電池小型動力，這一方面我們用的是三元體系，三元體系鎳不是特別高，這些體系從4.2V做到4.5V，高鎳開發(fā)811，只沖到4.2V就可以有160mAh/g的程度，在深度脫鋰的情況下，材料金和氧相對比較穩(wěn)定。但是高鎳材料有以下一些挑戰(zhàn)，特別是材料合成過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些鋰鎳混合的現(xiàn)象，材料在700-800℃的情況下，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定容易從晶核突出，鎳還原2價(jià)，其他一些挑戰(zhàn)因?yàn)槊撲囘^程中晶核參數(shù)發(fā)生較大變化，導(dǎo)致材料之間的應(yīng)力有大量增加。

另一方面是表面負(fù)反應(yīng)，晶核表面有些氧不穩(wěn)定。還有熱穩(wěn)定性方面的問題，熱穩(wěn)定性是高鎳很重要的問題，高鎳事實(shí)上在高溫的時(shí)候，不是特別穩(wěn)定，在高溫過程中是表面的氧會失去，在200℃以上會產(chǎn)生大量熱效應(yīng)，這是其中一個(gè)案例，我們用811配石墨，這是8Ah的軟包。我們研究材料微觀結(jié)構(gòu)的時(shí)候，材料在微觀循環(huán)過程中，二次顆粒已經(jīng)發(fā)生破裂現(xiàn)象，從微觀來看一次顆粒里面，成狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)變成了類似無析結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，還有破裂的現(xiàn)象。

對電池安全是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴牧媳旧砣绻菦]有破碎之前，BV比較小，是0.2-0.5的水平，我們即使表面不穩(wěn)定，產(chǎn)生氣體也比較少，如果材料發(fā)生破碎，電池溫升比較高，可能呈十倍或者幾十倍的增長，電池在充放電過程中產(chǎn)生很多氣體，特別是對于軟包電池來說，這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

這里分析一下想法和策略，我們是摻雜和包覆，結(jié)合理論模擬、計(jì)算篩選，有效降低氧活性的因素，使得在高電壓或者高溫過程中，晶和氧不會失去。這是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題，事實(shí)上顆粒破碎主要是跟內(nèi)部應(yīng)力增加有關(guān)，我們當(dāng)時(shí)做的是采用很薄的磷酸鋰的包覆，材料晶界起到緩沖的作用，所以這個(gè)材料在充放電過程中，雖然有相變，但是材料不會發(fā)生破碎。循環(huán)穩(wěn)定性也得到很大提升，這兩個(gè)主要是針對811體系做了一些策略性的改進(jìn)工作。在負(fù)極方面，今后要開發(fā)300Wh/kg體系，硅是目前開發(fā)的重點(diǎn)，這也是我們現(xiàn)在開發(fā)不斷提升陽極客容量，從350提升到600，甚至往更高750體系沖刺。如果開發(fā)更高能量密度體系，這也作用研究院開發(fā)范圍。

硅的客容量非常高，在室溫條件下客容量達(dá)到3500mAh/g。硅在遷移過程中會達(dá)到300體積膨脹，在充放電過程中顆粒發(fā)生了不斷腐蝕，腐蝕過程中原來積累，電芯阻抗增加，導(dǎo)致壽命比較短。顆粒在破碎過程中會進(jìn)一步滲裂痕的地方，產(chǎn)生更多副反應(yīng)。還有電解液，循環(huán)過程中顆粒破碎，SEI也破碎了，這就會有更多副反應(yīng)發(fā)生，如果采用一些比較好的成模添加劑，所成了SEI模可以一定程度上克制大量破碎導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生和SEI不斷積累，我們循環(huán)壽命在有效添加劑的情況下可以得到比較明顯的改善。

最后花1分鐘時(shí)間和大家分享一下在鋰金屬方面的策略性工作。講到硅的體系，對能量密度有提升，提升幅度始終還是有限的，加少量硅對能量密度有失去，加大量硅對能量密度有提升，鋰開發(fā)到1000Wh/L，特別是金屬鋰，我們能量密度有希望大家500Wh/kg水平，VAD有望達(dá)到1000Wh/L，金屬鋰反應(yīng)活性比較低，循環(huán)壽命比較短。鋰是百分之百體積過程中，對于軟包電芯來說，體積效應(yīng)也是非常嚴(yán)重的，還有鋰的熔點(diǎn)非常低，在沒有循環(huán)過程中，鋰熔點(diǎn)180℃，循環(huán)之后會降到150℃、140℃的溫度，對安全來說，金屬鋰是今后研發(fā)過程中急需解決的。我們采用3D的結(jié)構(gòu)化陽極，防止較大的體積變化，在界面保護(hù)層我們模擬SEI層成分，內(nèi)層采用有機(jī)項(xiàng)，外面的電解液采用高溶度鋰電解液體系。

以上就是我介紹的內(nèi)容。這里花幾分鐘做一個(gè)小節(jié)。現(xiàn)象鋰鈷三元遇到能量密度的瓶頸，特別是811勉強(qiáng)做到300Wh/kg，將來要做到更高情況下我們需要開發(fā)更高能量密度的材料，比如富鋰錳基，根據(jù)這些的體系也要解決穩(wěn)定性問題。硅負(fù)極始終是體積膨脹效應(yīng)問題。在金屬鋰必須要解決體積效應(yīng)還有循環(huán)效率以及鋰制晶的效率問題。電解液始終是非常重要的，跟我們的電池安全息息相關(guān)。

最后誠摯邀請大家參加開放日。

（文章根據(jù)現(xiàn)場速記內(nèi)容整理，未經(jīng)本人審核）

轉(zhuǎn)載請注明出處。