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xEV-NMC材料市场应用与技术开发
2016-10-29 11:21:00
关键词:动力电池应用国际峰会电池应用国际峰会

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图为湖南杉杉能源科技股份有限公司研究院副院长谭欣欣先生做主题演讲

  为了帮助企业客观分析2016年动力电池行业运行情况,正确把握行业发展趋势,加大动力及储能电池的开发应用,由中国化学与物理电源行业协会和电池中国网联合主办,双登集团股份有限公司、壹能(北京)网络科技有限公司共同承办的“2016年第五届中国电池市场年会暨2016年第一届动力电池应用国际峰会、2016年第二届中国电池行业智能制造研讨会”于11月14日在北京拉开帷幕。本次年会聚集了来自政府主管部门领导、知名科研机构专家、新能源汽车动力电池产业链上中下游的企业家、投资机构代表以及媒体记者等500多人参会。

  在本次会议上,湖南杉杉能源科技股份有限公司研究院副院长谭欣欣做了题为《xEV-NMC材料市场应用与技术开发》的专题报告,以下是根据速记整理的内容,未经本人审核,仅供参考。

  下面有请湖南杉杉研究院的谭欣欣院长,他报告的题目是NMC材料在新能源汽车市场应用于技术开发的情况。大家欢迎!

  谭欣欣:谢谢主持人!谢谢主办方!作为动力电池的上游企业,我的报告是关于一款高性能动力三元材料的技术开发与进展。报告一共分为五个部分,其中前面三个部分是技术,我本身是做技术的,包括动力电池对材料的要求,包括我们的一些工作以及我们的技术路线。第二个部分,其实是关于市场应用,还有我们的一些规划,最后,是一个总结部分。

  我简单罗列了一下目前动力电池面临的一些挑战,我想今天上午和下午的报告里面谈的也很多,有关于续航里程的400、500公里,有关于寿命可靠性10年甚至更长,有快充的,有大功率放电的,有安全可靠的,有成本的。我想大家关注最多的可能都是在这五个方面。我们作为电池的上游厂家,也是电池里面最重要的一个原材料供应商,我们在一款材料设计的时候都会同时去考虑。具体来讲,比如能量密度,我们会考虑不断提升它的放电比能量,以及充电、放电电压平台、功率密度,我们会同时考虑功率密度和寿命。另外,日历寿命,包括循环、副反应等等,包括成本在稳定可靠性能达标的情况下如何进一步降低成本,包括安全性。我想一款高性能的动力三元材料,并不是简简单单的突出其中的某一个系列或者两个系列,如果说有一个系列做不到,我想绝对不是一款好的正极材料。

  针对上面的工作我们到底是怎么去做的,去满足我们下游动力电池厂的要求。第一,能量密度。我想电芯的能量密度换算成正极材料就是简单的数学层级,就是容量和电压平台,当然我这里不考虑富锂锰基也不考虑高电压磷酸盐和其他的,我们只讲现在大批量工业化的材料。可逆容量方面,有提升,电压平台方面会提升充电电压,包括提升镍含量。

这里面引发出来可能就有四个技术路线。第一,大家最为熟知也是最为普及用到的镍含量提升的路线。每个电池厂可能跳过一两个,或者611到622或者到333到532等等。第二个,中镍高电压开发路线。第三,高镍高电压开发路线。第四,高电压LCO开发路线。从右边那个图我们可以看得到,从能量密度的角度来讲,就是随着镍量的提升,整体能量密度会越来越高,当然电量的提升也会带来提高,同时高电压钴酸锂因为有电压平台和高的容量,整体重量比的密度也是比较高的。我这里具体不谈哪一种路线好还是坏,我们要把这种可能性列出来。

  第二,日历寿命,是我们研究材料的时候考虑最多的一种性能。我这里主要谈四个技术手段,一个是前躯体,一个是烧结工艺,一个是表现修饰,一个是体相掺杂,这些字眼对我们做材料的或者下游用材料的都不陌生。但是新的时间段、新的要求,背后所需要的技术点还是有很多不一样的地方。比如前躯体的设计,这个是我们一个示意图,左边这个是一个SEM的示意图,就是说平面看过去它的颗粒是板条状的,是均一的,右边那个图是一个剖面图,要求他从中心往四周,是一个发散的。可能这个看起来比较简单,但是要真正实现这种前躯,并不是说简单的通过调几个参数,或者浓度、温度等等,是很难实现的。我们在这个方面是自己通过了一个特殊丰富的结构设计,来实现这么一个目标。

  这是我举的一个例子,这是一个811材料的前躯体,左边是一个常规合成的前躯体,我们看这种剖面不是常规的发射状的,是很实的,右边是我们通过特殊的反应的结构设计达到这样的效果,右边的结果有序的实现它的结构最稳定的状态,右边看到是1.5安时的软包装的电池进行了测试,45度,两种不同的前躯体合成的材料在循环方面是有非常非常大的差异,这是我们前躯体的一个技术。

  第二个,烧结工艺。烧结工艺其实就是一个实验的过程,我想做过材料的人肯定都做过非常非常多的实验,去把我们的最优质的找到,但是这个不是我们做研发的应该做的东西,左边这个图我们会发现,很难在一个条件下合成具有高容量的材料,又具有高的循环寿命,不管怎么做DOE实验,不管把实验设定的多么合理,不可能把这两个条件同时实现,我们可以在同样的合成条件下同时实现容量或者循环寿命的兼顾,使得我们在开发一个材料的时候不会那么纠结,到底要容量高还是循环好,我们可以同时具备到,这是一个烧结技术。

  另外是包覆,包覆的目的都很清楚,无非是让表现比较稳定,让寿命更加好,但是我想一款包覆技术,除了看效果之外,可能还要看稳定性,还有经济性,我们一直在着力开发一些干法包覆的技术,目前我们通过包覆原材料的选择,包覆工艺的优化,我们一样可以实现甚至比湿法更好的包覆的分布效果,同时它的性能,绿色那根线是湿法的,红色那个线是干法的,黑色那个线是机体的。

  右边一个图是我们自己的一个研究成果,我们自己合成的一个添加剂,这种添加剂的目的是去吸取这个材料表面的一些参与的锂,可能大家都比较清楚,做高镍材料残余比较高,常规的技术手段是用水洗的方式把表面残余去掉,但是水洗除了稳定和成本,稳定和成本比较高的缺点之外,大问题是会带来容量和循环的降低,所以我们自己开发出了一种特殊的脱离剂,能够吸收材料里面的一些残余的碳酸锂和氢氧化锂,达到同样降低残余的效果,提升胶固性能,同时不会带来容量的损失,甚至还会带来可逆容量的提升,这个技术被用到了我们811材料上面去,右边这个图可以看得到。

  另外一个方面,体相掺杂,大家都比较清楚,我们在333用到了体相掺杂,从3%左右可以提升到98%,这个是我们已经量产的一款材料。

  功率密度,功率密度提升我们目前可以在材料密度方面做很多文章,可以合成像3.5微米这么小的一个前躯体,从而使得材料具有更好的功率性能,但是我们不能单纯的去追求一个高功率,我们会针对这些高功率的材料去开发一种特别的包覆技术,这个也是一个622材料,我们用4.3V和45度这么一个苛刻的条件去加速测试它,会发现小颗粒的材料经过包覆之后一样具有很好的循环寿命。右边是一个应用效果。

  刚刚我们也谈到了前躯体的技术,这种前躯体的技术因为在烧结的时候使锂的嵌入非常有序,所以对功率密度的提升也是比较显著的。另外,成本。成本的构成其实有三个方面,一个是锂源、一个是加工费,其实前驱体的锂源成本占80%、85%,这块价格是相对公开透明的。加工费这块,我想我们作为上游企业如何把这个加工费尽可能做到最低,我想从三个方面谈这个事情,一个是规模效应,一个是智能制造,另外一个是精益化生产。

  这是我们目前的产能,今年我们的产能是4。3万吨,包括0。5万吨的前躯体,产能从明年到后年每年基本上会保持1。5万到2万吨的增长,前躯体每年会保持1万吨产能的增加。目前我们产地有三个。

  这是智能化制造,下面的图片是车间的实景图,下面是简单的工艺图,今年年初的时候我们万吨的高能量密度锂电高能材料也是成功入选了国家智能制造的项目,也是基于这个项目的背景,还有我们新车间的一些新设备的投产,机器人、在线检测技术、ERP技术等等将会用到我们新工厂里面,实现无人化车间。第三个成本控制方面,是宁夏石嘴山,这也是为什么选择宁夏石嘴山的原因,右边的图是2014年平均每个月的适度,有几个原因。第一个,他的常年湿度是比较低的,基本上没有超过30%的适度,非常有利于我们高镍材料在生产的时候一个水分的控制和产品稳定性的控制。第二个,水、气、人工成本比较低,因为石嘴山这个地方是产煤的,我们的电费相对便宜很多。另外,土地资源、西部大开发的政策。第四,工业的辅料,工业比较充足,我们选择宁夏石嘴山,可以讲我们的加工费进一步的降低。

  第五方面,安全性。我想这个图大家都不陌生,我们也在想,这个手机电池也是通过了很多的认证体系,而且我们了解到它的测试是3C里面最严格的,但是为什么会爆炸,我们有几个想法,是化学体系、还是制造工艺,还是材料的可靠性?我们作为上游企业来讲如何确保这个安全性能,这个是老声常谈的问题。比如用DSC、ARC等等手段,去看一下最高温度点、放热量,以此判断这个材料稳不稳定、可不可靠,甚至参加包覆磷酸铁锂,来去看这种材料到底能不能解决安全问题,但是我们并不这么认为,我们觉得材料的一致性、稳定性、可靠性等等是确保材料安全性最重要的方面。

  我们目前在整个622包括622以内的材料都已经完成了批量化生产,811体系目前我们是在中试阶段,另外我们下一步开发会开发更高的622以及更高镍含量的材料。这是一个简单的应用情况,时间有限我简单过一下,今年我们预计大概90GWh,铁锂的增长目前高过三元的增长。这是2016年全球正极材料的需求在20万吨,中国的需求预计在12.3万吨,占整个全球总量的61%,其中三元材料占到33%不到,右边这个图就是整个中国锂电池正极产能的情况,今年的产能预计会达到15万吨,从2014年开始产能出现了比较大的增长。

  我们看这个图,其实大家都在谈高镍、都在谈300Wh/kg,甚至400Wh/kg,我们看看现状,最右边这个图是今年国内的一个动力三元的需求情况,其实在动力电池里面333体系是最多的,占到61%,532是34%,622仅仅只有5%,我们目前所谈的最多的811不到1%,这是目前我们统计的今年国内的动力三元材料的占比情况,这是去年整个全球正极材料的市场需求情况,我们是以11%的市场占比排名全球第一,右边是我们统计的世界市场和中国市场的占比,中国市场我们占28%,我们可以看到这个竞争非常激烈。

  我们是杉杉股份下面的一个子公司,叫杉杉能源,我们下面有两家子公司,湖南杉杉新能源和宁夏杉杉能源,是2003年成立的。这个是整个杉杉股份打造的全产业链的新能源汽车,我们除了材料、正极、负极、电解液之外,我们会打造两个循环系统,一个是动力电池循环系统,还有新能源车运营体系。在湖南杉杉我们有三个地方,一个是麓谷工厂,另外一个是宁乡共享,主要做高端的3C材料,包括高镍的811。这是宁夏石嘴山的情况,5000多的前躯体在这个月已经投入使用。我们也在宁夏做了一个电池回收工厂的规模,已经在建,我们会建一个动力电池整个回收的车间,大概回收能力在2万吨,右边是一个车间规划图。

  最后讲一下我的总结部分,第一,一款高性能动力三元材料的开发,我们觉得需要兼顾到各种要求,如果单方面的突出某一种性能和忽略整体考虑,我想是没办法满足我们客户要求的。第二,前躯体、烧结、包覆、掺杂这些技术看起来比较简单,其实有着很多的实验数据和理论支持,同时我们和电池厂的联合开发也是非常重要的。第三,高镍,尤其是80%以上镍含量的材料,在今年整个国内市场占比不到1%,可能622不到5%,高能量密度正极在国内的推广使用我们认为还需要一定的时间,需要避免过多的炒作、引导、局部的过热。第四,整个杉杉能源在去年正极材料全球市场占比第一,但是竞争比较激烈,后面我们主要的工作会围绕三个方面,第一个是产业链布局,第二个是产能布局,第三个是电池回收规划,我们做这个目的就是避免行业一些垄断性的操作,追求一个可持续的发展。谢谢!


作者: 谭欣欣      稿件来源: 电池中国网
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