蜂巢能源 李子郯：《蜂巢能源無(wú)鈷正極材料開(kāi)發(fā)進(jìn)展及應(yīng)用》

編輯:賀勵(lì)集團(tuán) 來(lái)源: 發(fā)表時(shí)間:2022-04-03 02:30:52 關(guān)注 次 | 查看所有評(píng)論

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7月7日，2021中國(guó)國(guó)際鋰電產(chǎn)業(yè)大會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)金磚鋰電論壇）在上海汽車(chē)會(huì)展中心順利召開(kāi)。本屆金磚鋰電會(huì)議為期兩天，主題為以“新技術(shù)、新應(yīng)用、新發(fā)展”為主題，采用“會(huì)議論壇+展覽展示+體驗(yàn)營(yíng)銷(xiāo)”三位一體的創(chuàng)新模式，多項(xiàng)重點(diǎn)活動(dòng)同期同地舉辦，充分協(xié)同聯(lián)動(dòng)，品牌效應(yīng)和影響力大幅提升。

 

李子郯出席論壇并發(fā)表主題演講——《蜂巢能源無(wú)鈷正極材料開(kāi)發(fā)進(jìn)展及應(yīng)用》。

 

 

以下為演講實(shí)錄：

主持人：感謝李博士的精彩分享，李博士從材料全球的形式以及不同材料的情況給大家做了分享，我相信大家對(duì)于行業(yè)未來(lái)材料的突破也會(huì)非常關(guān)注，也請(qǐng)大家多關(guān)注主辦方和李博士、行業(yè)的情況。接下來(lái)有請(qǐng)蜂巢能源科技有限公司總經(jīng)理-李子郯給我們帶來(lái)《蜂巢能源無(wú)鈷正極材料開(kāi)發(fā)進(jìn)展及應(yīng)用》。

李子郯：謝謝主辦方邀請(qǐng)，讓我跟同行分享一下蜂巢能源在層狀無(wú)鈷材料的開(kāi)發(fā)進(jìn)展和應(yīng)用。

今天我分享的內(nèi)容就這五部分：

1、無(wú)鈷正極材料介紹

2、無(wú)鈷正極材料開(kāi)發(fā)進(jìn)展

3、無(wú)鈷電池開(kāi)發(fā)進(jìn)展

4、無(wú)鈷正極材料發(fā)展方向

5、蜂巢能源公司介紹

一、無(wú)鈷正極材料介紹

無(wú)鈷正極材料從廣義上講，沒(méi)有裹（音）的都是無(wú)鈷正極材料，包括磷酸鐵鋰、磷酸鐵錳鋰，還有尖晶石錳酸鋰、尖晶石鎳錳酸鋰、無(wú)鈷富鋰錳基的正極材料。

今天著重講類(lèi)似于鈷酸鋰和三元材料相同結(jié)構(gòu)的層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鈷材料，實(shí)際上把三元的鎳鈷錳的鈷直接取掉，變成二元的鎳錳酸鋰。

大家可以看到，各種無(wú)鈷正極材料的能量密度，層狀的大約能到70Wh/kg，富鋰錳基的錳最高，尤其是無(wú)鈷、低鎳的，其實(shí)目前的研發(fā)進(jìn)展有諸多的缺點(diǎn)，主要是電壓降、循環(huán)差，可能還是需要著重解決的問(wèn)題。   

最后的鎳錳酸鋰是尖晶石型，它是5V的，其實(shí)電壓平臺(tái)對(duì)于石墨來(lái)講是4.5V。這款材料從材料層面講，鎳錳酸鋰開(kāi)發(fā)得相對(duì)比較成熟，目前我們實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的，做到B樣的鎳錳酸鋰，1C容量達(dá)到將近140。

其實(shí)理論容量密度148，跟尖錳一樣，所以材料做得很好，現(xiàn)在等待我們有5V的電解液支持。

如果有高電壓電解液來(lái)支持的話(huà)，其實(shí)這款材料的能量密度甚至比磷酸鐵鋰高40%，成本和磷酸鐵鋰差不多。如果有高電壓電解液出現(xiàn)，這款鎳錳酸鋰的低成本還是很有希望的。

這是層狀無(wú)鈷二元材料的結(jié)構(gòu)，跟鈷酸鋰一模一樣，六方晶體結(jié)構(gòu)。大家從三元熱穩(wěn)定性的相圖可以看到，顏色越深，熱穩(wěn)定性越好。

如果把鈷去掉，我們就在下面那條線(xiàn)，鎳錳的比例處于中間值，比如0.5、0.65、0.75，熱穩(wěn)定性很好，不像大家說(shuō)的沒(méi)有鈷，熱穩(wěn)定性不好，其實(shí)去掉鈷，做出來(lái)的材料熱穩(wěn)定性還是很好的。

我們從XRD得到無(wú)鈷正極材料氧離子混排比較高，尤其是鎳越多，氧離子混排越多，最高能達(dá)到7%、8%以上。尤其是摻雜元素的選擇，還有摻雜的工藝，盡量把去掉鈷的二元材料的氧離子混排效率減下來(lái)。

這是國(guó)際上層狀無(wú)鈷材料研發(fā)的進(jìn)展，二元的層狀無(wú)鈷材料在十多年前就開(kāi)始開(kāi)發(fā)，日本的專(zhuān)家做5050中鎳的無(wú)鈷層狀材料，在4.5V高電壓的情況下，發(fā)揮到200mAh/g，但循環(huán)比較差。

美國(guó)教授用離子交換法，也是5050，容量也是不錯(cuò)，但是倍率還是比較差。再一個(gè)離子交換法大批量量產(chǎn)的工藝非常困難，不如目前常見(jiàn)的高溫固相反應(yīng)法。

美國(guó)Goodenough教授也做過(guò)，他的理論是鎳含量在55左右，發(fā)揮的性能***，而且循環(huán)非常好。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)往高鎳、超高鎳方向去發(fā)展。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，在超高鎳的情況下，在鈷摩爾比（音）小于、等于5%的情況下，有鈷和沒(méi)鈷都一樣，甚至有鈷起到相反的，對(duì)性能優(yōu)損害的作用，這個(gè)可能需要我們各個(gè)同行在超高鎳加以檢驗(yàn)，到底有鈷性能更好，還是無(wú)鈷性能更好。

實(shí)際上從成本上講，比如鎳在95%左右，成本上有鈷、沒(méi)鈷差不多，成本相差很少。

二、無(wú)鈷正極材料開(kāi)發(fā)進(jìn)展。

下面我著重介紹一下我們公司的層狀無(wú)鈷材料開(kāi)發(fā)進(jìn)展，從四部分作為材料設(shè)計(jì)：

1、前驅(qū)體選擇。

我們自己有自己的前驅(qū)體開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室，***個(gè)就是單晶化，這也是目前國(guó)內(nèi)三元材料走得一條很好的道路，單晶高電壓化，現(xiàn)在市場(chǎng)上中鎳5系、6系高電壓的產(chǎn)品越來(lái)越多，而且裝車(chē)的Park電池系統(tǒng)越來(lái)越多。

比如613做到4.4V，1/3 C的容量已經(jīng)到190以上，跟現(xiàn)在的4.2V 8系能量密度幾乎差不多。

2、元素比例。

剛才我從三元熱穩(wěn)定相圖可以看出來(lái)，鎳含量在50-80%之間做一個(gè)選擇，也可以做成系列化。

3、摻雜。

摻雜是鈷去掉之后，我們選擇什么樣的元素?fù)诫s，取代鈷在結(jié)構(gòu)里起的作用，這是很重要的。

4、包覆。

包覆是所有正極材料，包括磷酸鐵鋰是增加電導(dǎo)率。二元無(wú)鈷材料的包覆主要起到減少電解液的副反應(yīng)，尤其是高電壓的體系。

從這四部分，我們著手材料設(shè)計(jì)，這是早期開(kāi)發(fā)的高鎳無(wú)鈷材料，這是多晶的，大概10個(gè)微米。

0.1C模擬電池、半電池容量可以達(dá)到208mAh/g，循環(huán)性能50次循環(huán)，還是在97、98左右。

這是無(wú)鈷中鎳，大約在50-60%鎳含量，循環(huán)性能幾乎不衰減，比高鎳的循環(huán)性能強(qiáng)多了，同時(shí)DSC的峰值溫度將近250度，體現(xiàn)出來(lái)熱穩(wěn)定性非常好。

這款是中高鎳的單晶產(chǎn)品，這也是蜂巢能源今年第二季度量產(chǎn)的材料，我們?cè)谀M電池0.1C可以發(fā)揮在190mAh/g，EC在170-175之間。

如果做成實(shí)際電池，方形電池三分之一C常溫的容量可以保持在180mAh/g，能量密度可以做到245Wh/kg，比8系的電池低3-5%的樣子。  

三、無(wú)鈷電池開(kāi)發(fā)進(jìn)展。

首先蜂巢能源在1.5倍的MEB這款電芯上開(kāi)發(fā)無(wú)鈷電池體系，這是C樣，現(xiàn)在已經(jīng)循環(huán)到1500-1600次，大約能保持在90%左右。

我們的A樣已經(jīng)循環(huán)到2500次，還保持在80%以上。這款材料在4.3V，比8系的體系高0.1V。突出的優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)是循環(huán)性能比8系強(qiáng)多了，至少達(dá)到2500次以上，高溫循環(huán)也非常好，能達(dá)到1500次以上。

這是常溫和高溫的內(nèi)阻性能，大家經(jīng)常說(shuō)缺了鈷，是不是對(duì)于電子導(dǎo)電率和離子導(dǎo)電率都有影響？比如選擇導(dǎo)電強(qiáng)的包覆劑，可以彌補(bǔ)鈷缺失的功率表現(xiàn)，實(shí)際電池的功率還是非常不錯(cuò)。

這是低溫的，零下20度的電池表現(xiàn)確實(shí)比三元電池來(lái)得差一些。

這是安全性能的測(cè)試，首先這是熱箱，在130度輕輕松松過(guò)了，防爆閥沒(méi)有打開(kāi)，也沒(méi)有起火爆炸，電池還是保持原樣。

在150度的情況下，熱箱防爆閥打開(kāi)了，但是沒(méi)有明顯的火苗產(chǎn)生，所以安全性比8系好得多，8系電池140度熱箱過(guò)可能還是比較危險(xiǎn)的。

這是過(guò)充，我們?cè)?40%的SOC過(guò)充，其實(shí)防爆閥打開(kāi)了，但是沒(méi)有起火，沒(méi)有明顯的火苗，這款電池就是1.5倍的MEB電芯。

這是針刺，蜂巢能源采用疊片的工藝，所以電池里都是一片一片的，針刺的七層測(cè)試之后電池保持原樣，沒(méi)有起火，沒(méi)有明顯的熱失控。

這是人為短路，短路的情況下，60度的環(huán)境下，通過(guò)人為短路，防爆閥沒(méi)有打開(kāi)，電池保持原樣，沒(méi)有發(fā)生爆炸。

從過(guò)充、針刺、短路等所有實(shí)際電池的表現(xiàn)，我們覺(jué)得比811體系的電芯安全性能好得多。

四、無(wú)鈷正極材料發(fā)展方向。

首先無(wú)鈷層狀繼續(xù)迭代，我們把鎳盡量往下壓，能把成本盡量降下去，同時(shí)提高電壓，能保持能量密度的不變。比如說(shuō)現(xiàn)在是70%的鎳，降到50%的鎳，同時(shí)提高電壓，能量密度保持不變，成本也能下降10%左右。

第二個(gè)是無(wú)鈷富鋰的正極，同時(shí)在做低鎳的無(wú)鈷富鋰，還有無(wú)鎳的無(wú)鈷富鋰，是純錳。錳這方面，北京大學(xué)的夏教授用離子交換法做的純錳酸鋰性能還是不錯(cuò)，容量幾乎能達(dá)到250mAh/g，就是循環(huán)、電壓降是著重要解決的問(wèn)題，在持續(xù)開(kāi)發(fā)。

第三個(gè)是無(wú)鈷尖晶石鎳錳酸鋰，從正極材料端來(lái)講還是相對(duì)比較成熟，以后看有高電壓電解液繼續(xù)開(kāi)發(fā)電池體系、平臺(tái)體系。

五、蜂巢能源公司介紹。

蜂巢能源是2018年才成立，算是行業(yè)里的新軍，它是在2013年長(zhǎng)城汽車(chē)底下建的動(dòng)力電池事業(yè)部，經(jīng)過(guò)五年的醞釀、發(fā)展，于2018年獨(dú)立出來(lái)，脫離于長(zhǎng)城汽車(chē)，現(xiàn)在是長(zhǎng)城汽車(chē)的兄弟公司，算是衛(wèi)董事長(zhǎng)的二次創(chuàng)業(yè)。

蜂巢能源還是以做電池為主，電芯、模組、Park、MBS是主業(yè)。向上正極材料也有材料事業(yè)部，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)正極材料。

再往上鋰鹽也布局了澳洲皮爾巴拉的鋰礦，同時(shí)在國(guó)內(nèi)也入股了一些氫氧化鋰、碳酸鋰的鋰鹽公司。

同時(shí)前驅(qū)體、硫酸鎳方面也積極布局，往下還有儲(chǔ)能事業(yè)部，主要做儲(chǔ)能這一塊，無(wú)論是磷酸鐵鋰體系，還是鈉離子體系，上個(gè)月儲(chǔ)能事業(yè)部用的是中國(guó)海納的鈉離子體系裝了大的兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電源。

長(zhǎng)城汽車(chē)的回收，責(zé)任主體還是歸在蜂巢能源，這是我們避不開(kāi)的，回收計(jì)劃和前驅(qū)體綁定在一塊共同做。

目前蜂巢能源經(jīng)過(guò)三年多的發(fā)展，現(xiàn)在員工有4000+，其中52%是研發(fā)人員，超過(guò)500名外聘專(zhuān)家，已經(jīng)將近30億的研發(fā)投入，計(jì)劃在2025年要建成200G以上的電池生產(chǎn)線(xiàn)。

目前在四川的遂寧、安徽的馬鞍山、江蘇溧水、浙江湖州都在布局電池工廠。

這是保定的研發(fā)中心，這是蜂巢能源成立的根據(jù)地，現(xiàn)在也是最重要的技術(shù)中心。這是無(wú)錫的研發(fā)中心。

這是常州電池工廠，這是蜂巢能源***個(gè)量產(chǎn)工廠，一期4GWh已經(jīng)建完，二期8GWh三條線(xiàn)已經(jīng)安裝80%的進(jìn)度，大約今年第三季度完全安裝完畢。

左側(cè)廠房是正極材料的工廠，我們?cè)诔Ｖ莨S和正極材料規(guī)劃2萬(wàn)噸的每年規(guī)模，供給蜂巢能源22GWh電芯的需求量。

歐洲電池工廠選址已經(jīng)選定完了，在德國(guó)一個(gè)地方，前期先做一個(gè)Park廠，來(lái)共用歐洲的客戶(hù)，總投資大約20億歐元。

第二步做電芯，甚至正極材料，因?yàn)橛行W洲的客戶(hù)有硬性的規(guī)定，我買(mǎi)你的產(chǎn)品，電池和正極材料必須都在歐洲本土化，這是正極材料一期的生產(chǎn)線(xiàn)。

這是遂寧的智能制造工廠，目前已經(jīng)開(kāi)建，可能正在基建過(guò)程中。

這是馬鞍山生產(chǎn)基地，在第三季度，***條無(wú)鈷電池生產(chǎn)線(xiàn)，即將在馬鞍山投入使用，大約在第四季度115安時(shí)的這一款無(wú)鈷電池裝在國(guó)內(nèi)客戶(hù)的某一款車(chē)上，第四季度面向客戶(hù)對(duì)外銷(xiāo)售。這是全國(guó)甚至全球***款層狀無(wú)鈷材料做的電池，應(yīng)用到實(shí)際的汽車(chē)上。

感謝！我就介紹到這兒！謝謝大家！

（注：本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)速記整理，未經(jīng)演講嘉賓審閱，僅作為參考資料，請(qǐng)勿轉(zhuǎn)載！）

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