接下来,主要给大家介绍我所代表的安普瑞斯(南京)有限公司。我公司专注于锂离子电池核心材料的开发,主要包括硅负极和新型正极添加剂;我们与电解液头部企业也有在硅负极电解液添加剂上的战略合作,同时我们还自主开发高能量密度硅负极电解液配方和预锂化技术。除了材料以外,我们也开展了应用于高端消费电子类、电动运输类以及航空航天类项目的电芯综合解决方案。
这一页展示的是我们南京公司主营的三种产品:第一种是粉末材料,主要有SO226 ,SO276,SOM,HESO;第二种是电极产品;第三种是给客户提供含硅负极电池体系的整体解决方案,其中包括动力电池、高端数码类、无人机、电动工具等体系。
我们在持续的研发过程中发现,硅负极由于容量高,电芯设计时,搭配相同面密度的正极,含硅负极的厚度可比纯石墨体系更薄,从而能够改善倍率性能。另外,由于硅的物理特性和特殊结构,锂离子嵌锂电位比石墨高且可以从不同方向嵌入。因此,在快充方面也会有些优势。
这边列举了客户的一些测试结果。其中一组数据为在传统的非快充数码石墨体系中,我们做不同倍率的放电,随着放电倍率从0.2C 、1C、2C直到增加至5C ,纯石墨体系的能量衰减很大,而含硅复合体系的衰减相对比较缓慢。当放电倍率为5C 时,硅-石墨复合体系相比纯石墨体系展示了额外60% 的能量优势。最下面三个图是我们无人机客户提供的数据,分别对比了人造石墨和我们硅石墨复合体系在0.5C 、5C及10C 的放电倍率性能。同样地,在10C 放电时硅-石墨复合体系相比纯石墨体系展示了额外25% 的能量优势。
另外,在低温放电体系中,也有类似的现象,左边展示的为硅- 石墨复合体系,负极可逆容量为450mAh/g ,右边展示的是纯石墨方案,负极可逆容量为350mAh/g ,且与左边含硅复合体系为同款人造石墨。我们分别在不同温度下采用不同倍率进行充电,从图片的对比结果可以明显的看出,即使左边含硅复合体系的正极面密度更高,也没有发生析锂现象;但纯石墨体系中,均发生了析锂,温度越低,这种现象也越明显。
这张图向我们展示硅与石墨嵌锂曲线的不同。硅嵌锂的曲线相比石墨材料更高,意味着锂离子更容易嵌入到硅颗粒中。因而掺混体系中,由于硅特有的嵌锂电位,在石墨开始嵌锂前,硅可以优先嵌锂,从而让析锂电位更难到达。这张图为纯石墨和含硅的掺混体系的快充循环图,这两个体系的石墨也是保持相同,含硅的复合体系体现出更好的快充循环寿命。
如何从本质上最大化地发挥硅负极的优势,一直是我们和客户共同考虑的课题。经过这么多年的研究和探索,我们开发出一整套围绕硅材料的生态系统改善措施。例如,硅材料本身所具有的结构特征、原材料选择、搭配合适的正极及电解液、电芯设计方面的考量、预锂化技术等等。我们认为必须把整套体系做好,才能开发出真正给终端客户带来价值的材料和电池体系。右边是我们公司几大目标,已在实验室中实现400Wh/kg ,动力电芯体系则争取可以在0.33C 倍率下实现350Wh/kg并满足各种动力电池的性能要求,无人机、垂直起降飞机、电动工具体系能够达到3C持续放电下达到300Wh/kg 和8C持续放电下达到250Wh/kg 。
硅材料方面,我们会设计不同的分级结构。量产产品已经证实这种特殊结构的材料具有很好地包覆完整性、良好的倍率,长循环稳定性及低内阻的特性。通常,碳包覆采用的碳源有两种选择,其中一种是高端人造石墨包覆常用的沥青,另外一种是CVD中所使用的乙炔、甲烷或天然气等。我司两种工艺都能够做,值得一提的是能将固相碳源包覆做到非常极致。例如我们大部分动力电池客户发现固相包覆的SO276的综合性能比绝大多数的CVD包覆材料还更为突出。
因为这次会议的主题是关于锂离子电池的大倍率、高功率的应用,所以在此就主要给大家展示我们的材料体系在高能量密度、高功率密度体系中的研究,分别应用于电动工具和无人机领域。
240Wh/Kg@8C体系:与目前市面上最高端的21700倍率型进口电芯相比,8C倍率放电下的能量密度从180Wh/Kg提升至240Wh/Kg,增加约30%。从循环角度来看,我们的含硅电池体系,+1C/-6C可以达到1000多个循环。
270Wh/Kg@3C体系:这里分别展示了3C下的能量密度是271Wh/kg,5C下是265Wh/kg。3C恒流冲入比约为80%,充电15分钟可达到75%的电量。需要补充说明一下,所有能量密度和循环电压区间相同,最大程度的发挥硅材料的所有特性,希望真正发挥它所有的能量。在4.4-2.75V时,+1C/-5C可以循环到600圈 80%。目前给一个客户提供的解决方案,在-20oC下4C放电,容量保持率可以达到90%。
280Wh/Kg@3C体系:我们发现在追求高能量密度的同时,保持3C或者5C倍率性能非常具有挑战性。这边展示的数据,同样材料电池体系下,可以做到3C下280Wh/kg,4C下276Wh/kg,充电12分钟可达到80%的电量。这边是循环,目前在宽电压范围循环,也实现了600圈 80%保持率。45度1C/3C可以支持500+以上循环。低温放电也是也非常具有优势,-20oC下2C放电保持率约为80%多。
300Wh/Kg@3C体系:这是目前我们具备量产化能力的最好方案,实际上我们实验室还在开发更高能量密度的倍率体系。这个材料体系在0.2C下能量密度为319.7Wh/kg,到3C下是300.2Wh/kg,3C倍率充电支持15分钟75%容量甚至更多。循环可以支持1C,3C,5C;45度高温循环可以支持300圈以上;高温存储支持60度21天;再往后就是倍率放电性能,-20oC下2C放电保持率也能达到80%多。
最后,安普瑞斯的目标是帮助客户在无人机、电动工具等领域,同时实现高倍率和高能量密度,缓解用户的续航焦虑,真正实现硅负极的价值,谢谢大家!
主持人:看看大家有什么问题可以向王博士提问。
提问:您好,我想问一下,您认为倍率变好的原因是加硅之后因为硅的倍率好,还是极片变薄了?
王岑:我们觉得很可能是电极层面帮助更大一点。谢谢!
提问:你把硅做成二次颗粒原因是什么?
王岑:我们发现硅的颗粒尺寸有些讲究,不希望太大,也不希望太小。太大动力学显然会有影响,太小的话比表面积会增大,这对高温循环和存储存在一些负面影响,包括大倍率放电温度升高时的副反应。所以我们想了一个办法,把比较小的颗粒变成二次颗粒,动力学和稳定性兼而有之。谢谢!
提问:王博士,您好,请问我们硅加的量大概是多少?对成本影响是什么样子的?
王岑:总体来讲,随着硅的添加量不断增加,重量能量密度不断增加,而体积能量密度需要通过计算进行权衡。我们270Wh/kg,280Wh/kg一直到300Wh/kg体系,就是在不断地增加硅负极含量。
很多客户关心成本方面的问题,我们与很多下游客户和终端客户探讨过这个事情。从材料本身成本来说会有一定增加,但是相比传统石墨电芯体系,折合最后电池每千瓦时或者每安时的成本,我们可以控制在非常有限的增幅以内。谢谢!
提问:王博你好,我想问一下,二次颗粒设计加碳包覆,克容量和首效做到什么水平呢?
王岑:量产品的容量在1000-2000mAh/g,有些产品的效率可能为80%,也有的产品效率可到90%以上,这取决于产品定位的不同。谢谢!
提问:这种二次颗粒设计,本身会用一些工艺,比如说胶脂类黏结成二次颗粒,那么动力学上面有没有一些损失呢?
王岑:从动力学角度,硅还是挺不错的,虽然大家觉得它可能是半导体,对电子传导会有点阻碍,对锂离子嵌入和脱出扩散存在一定的劣势。但在我们研发的电化学体系里面还没有发现特别明显的短板。不过也有一些客户可能提出来在低SOC下,DCIR偏高,对产热造成一些影响。除此以外,我们觉得还不错了。谢谢!
提问:我们在应用的时候,就像刚才您讲的那些角度,主要从极片层级可以提升它的充电能力,那比如说我们想进一步提高这种能量密度,本身硅材料来说它的动力学还是相比石墨体系有点差,这方面有没有进一步提升动力学的思路。
王岑:传统意义就是减小粒径,增大表面面积,但是需要在不同体系里面做不同的取舍。可能还是需要具体问题具体分析。谢谢!
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