苗力孝博士:解决电池低温技术,动力电池应用将迎曙光
2017-11-20

一个产业的发展,必将带动一个产业集群的发展。新能源汽车特别是纯电动汽车的蓬勃兴起,电动汽车、动力电池,以及与动力电池产业密切关联的回收、梯次利用、后市场等市场,展现出蓬勃的生命力,同时这些领域的痛点和难点问题引起行业专家及企业界人士高度关注。

 

在此背景下,2017年11月15-17日,以“突破·决胜:高成本下的新机遇”为主题的“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”在北京召开,就新能源汽车及动力电池一年来的发展成就、存在问题、解决方案、发展机遇等进行深入探讨,帮助解决产业发展难题,推动产业可持续发展。17日上午,桑顿新能源研发部总经理苗力孝博士应邀出席会议并围绕“电池低温技术研究进展”做主题报告。

 

众所周知,锂离子电池市场需求广泛,锂离子电池本身的优点,无论是日常使用的数码产品,还是对于航天、航空、军事领域来说都极具诱惑力。随着锂离子电池的广泛应用,锂电时代早已来临。但伴随着锂电产业的发展,锂电技术研究不断突破,锂电池在应用中产生的诸多问题也随之而来,其中最突出的莫过于环境温度对锂电产品的制约。

根据调查数据显示,日常使用的3C电子产品工作温度介于-20~60℃,家用汽车的动力电池低于-30℃则无法正常工作。目前,中国北方地区冬季温度普遍低于0℃,在极寒地区甚至低于-30℃,而所有LFP电芯在-20℃以下均不能放电,只有部分厂商提供的三元材料电芯,放电工作温度可低至-30℃。恶劣的环境极大缩短了电池的寿命。根据美国波士顿电池公司提供的资料,一块容量为3500mAh的电池,如果在-10℃的环境中工作,那么经过不到100次充放电循环,电量就将急剧衰减至500mAh,这对于电动车性能、续驶里程、动力特性、寿命、充电时间、安全性均产生着恶劣的影响,对锂电产业乃至新能源汽车产业发展无疑是阻碍,而对于各新能源汽车以及电池企业来说是一次挑战。

桑顿新能源研发部苗力孝博士表示,锂离子电池对于工作环境的温度敏感,导致锂电池在低温情况下面产生诸多问题,甚至可能引发电池内部短路造成电池起火爆炸的安全隐患。因此,解决锂离子电池低温问题对实现我国新能源电动汽车的健康发展至关重要。

 

    行业内诸多专家学者曾表示,当前,新一代信息通信、新能源、新材料等技术与汽车产业加快融合,产业生态深刻变革,竞争格局全面重塑。工业和信息化部、国家发展改革委、科技部联合印发了《汽车产业中长期发展规划》 为汽车产业发展确定了“力争经过十年持续努力,迈入世界汽车强国行列”的总目标,新能源汽车产业成为了突破口,而新能源汽车产业电池是核心,电池技术发展的关键在于是充电技术的突破,环境温度对锂电池技术的桎梏目前已成技术短板,若不能攻克这个难题,势必会影响到整个行业。电动汽车低温特性改善迫在眉睫。那么,对于低温问题能否得到改善甚至解决的问题,苗力孝博士给出了肯定的答案。

    实现动力电池的全气候工作以及低温长寿命决定了锂离子电池在动力领域的地位和未来,根据目前国内外的研究,可从三个方面入手,材料修饰、电芯工艺、PACK系统设计三个方面整体的改善和提高,实现锂离子电池的全气候工作和低温长循环寿命,保障新能源汽车在低温和高温条件下实现正常的续驶里程,降低能源消耗。

材料方面改善

 

苗力孝博士指出,材料一次颗粒的纳米化,掺杂杂原子于包覆是改善电池低温性能的关键。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,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。另外通过优化电解液的组成以及优化正、负极材料等方式也可以进一步改善电池的低温性能。

 

电芯设计改善

 

在会上,苗力孝博士介绍了在国际顶级期刊《Nature》的一篇研究成果--全气候电池,该项技术通过在电芯内部放置加热片,通过开关电路,控制内加热回路实现电池内部自加热。由于内加热的效率要远远高于外部加热,并且能耗更低,所以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。全气候电池较现有18650电池在零度下续航里程可提高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。由此可见,通过电芯工艺方面的改善提高电池低温性能仍有空间。 

 

Pack设计改善

    苗力孝博士指出,可以通过更加合理的PACK热管理设计,目前普遍采用的贴附加热膜和保温材料对电池进行加热保温来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。因此苗力孝博士表示,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,但工艺复杂、成本高、致冷液易泄露等问题还尚需要进一步的完善解决。

未来已来,电池低温技术尽管仍有问题尚待解决,锂离子动力电池的问题研究任重而道远,唯有通过一次次不懈努力的变革和创新,不断坚持,才会在锂离子动力电池应用领域迎来新的曙光。桑顿新能源也将加快脚步,突破桎梏,开启动力电池应用领域新纪元。

 

 

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