圖為深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司研究院院長任建國博士
任建國:我是來自深圳貝特瑞新材料股份有限公司的,貝特瑞簡單一句話介紹一下,是目前全球最大的鋰離子電池負極材料的制備商。
我今天主要講一下貝特瑞的研究院在高容量的負極材料這方面最新的開發進展,這里面涵蓋了石墨的負極,包括非石墨的負極,主要是軟碳、硬碳,還有現在在國內比較熱的硅類的負極,最后再介紹一下復合的這樣一個理念。
這個是貝特瑞的研究院,目前在高能量密度電池體系方面做的一些開發工作。在正極材料方面,我們現在也在做高容量的、高功率的、長壽命的,特別是高鎳的正極材料,主要是鎳含量比較高的NCA和NCM,就是811系列或者是鎳含量在80%以上的高鎳正極。
在粘結劑這一塊,剛才我也問了剛才那位博士,我們現在也在開發水系的粘結劑,這個也是針對高能量密度的負極,或者是正極體系所用到的一些新興的粘結劑。
另外是導電添加劑,目前也在做像石墨烯、碳管進行復合的一些添加劑。這個也是為了解決未來在做高能量密度,特別是正極、負極,即便厚度增加的情況下,為了提升導電性所做的一些準備工作。
負極目前應該是貝特瑞的主營業務。我們在負極這一塊除了做傳統的石墨負極以外,特別是這種高能量密度的石墨,快充的石墨、膨脹的石墨,不管是天然石墨還是人造石墨,除了這個之外我們也在做一些硬碳材料,除了硬碳之外,我們也有做硅碳、氧化氧硅。像硬碳、硅碳大家都非常的清楚,它理論上有非常高的比能量密度,所以我們把這些作為我們開發的重點。
首先是石墨負極,這個也是大家要進一步的提升的能量密度,把它的能量密度發揮到極至?,F在業內有這種極限石墨的一種說法,英文翻譯成這個對不對,我也不知道,這是我自己想的,是Uitimate graphite。石墨的密度也就是在2.2左右。
這樣一個石墨同時還要具有所有的完美的性能,高容量、高功率、低膨脹、長壽命、高守效,包括比較快的吸液特性,這是一個非常理想、非常終極的狀態,把它稱之為極限石墨我覺得也不為過。
怎么實現這個極限石墨的這樣一個目標?我們想到的可能就是從這樣一些先進的技術去實現,包括先進的石墨化技術,晶體結構改善的技術、表面處理的技術、精密分級的技術、納米造孔的技術,綜合這樣的技術,去達到極限石墨開發的一個目標。
下面我介紹幾款目前貝特瑞比較經典的,目前主推的高能量密度的石墨材料,一共是6種,三大類,第一類是360系列,360L1和360L2。在快充這一塊比較適合于2C到3C,這樣一個中等程度的,也就20分鐘左右這樣一個快充特性的負極材料。
這兩類也都是采用目前業內用的比較多的二次造粒的方式改善它的趨向性,降低它的膨脹。L1相對L2來說容量要低一些,是350的容量,L2是355的容量。壓石是1.65到1.75,L2是1.75到1.85。我們通過石墨化度的控制來控制它的軟硬,包括不同的壓石密度和不同的克容量。L2的石墨化對L1要更高一些。
第二類是在快充上具有更高快充特性的,就是6C的,10分鐘充電的這種負極材料。這個有兩個經典的產品,一個是BFC-10,一個是BFC-18,這兩類都是適合于6C的快充的人造石墨。它在快充特性這一方面就比前面這一類具有很好的一個快充性能。
我們使用壓石也都是在1.6到1.7,包括1.65到1.75,是分別針對BFC-10和BFC-18的。
第三類、高壓石的,能夠實現極限石墨中的一個特性,是1.8壓石一大類其中一個典型的材料,360-MB,它的原料是碳維球類的,還有是各LH,這個是可以做到1.8的積片壓石去使用。石墨化度比前面兩大類也都要更高一些,也就是說它更軟,更容易壓得下去。
同時具有高壓石的前提下還具有比較長的壽命和吸液特性。
這兩個是屬于一次例子,不是屬于二次例子。
簡單的介紹一下前面三大類6個材料的電化學性能,這個是360-L1和360-L2,在CCCV充電的這么一個快充特性,L1是20分鐘充電可以SOC接近80%,這個基本上跟目前我聽到的關于動力市場的快充特性的要求,就是20分鐘要求充滿80%,是能夠滿足這樣一個市場要求的,360-L2,20分鐘可以到83%,這個是CC+CV的,不是橫電流的充,只要保證在20分鐘內能夠充進多少電,這對于用戶來說也是需要達到的一個目的。
L1和L2有一個比較好的循環性能,L1是1200圈,L2是500圈。這個材料是比較適合于電動工具,PHEV和XEV,特別是對于2到3C這種性能上有一些要求的應用領域。
6C的快充材料,BFC10和BFC18。BFC10可以實現10分鐘充電接近82.7%的,同樣也是CCCV的快充性能。BFC18可以10分鐘實現82.5%,它把時間縮短了一半,但是也可以達到相當的SOC,甚至是更高的SOC的充電特性。
從循環性上來看,10比18的循環性能更好一些,因為石墨化度更低一些。BFC10,6C充,1C放。
這兩類材料我們認為它是適用于像航模以及無人機,包括這種機器人,這種領域我們認為這兩類材料是比較適合的。
另外是高壓石的,360-LB和360-LH,即便是在180的壓石情況下也可以保持一個比較好的特性。
這一大類材料它是比較適合用這種堅固高能量密度和長循環壽命這樣的場合。
剛才講的是這種傳統的負極,是石墨類的負極材料,貝特瑞研究院一直想做一款具有過能量密度的,但是又是非石墨類的負極材料。我們前面2、3年一直在配合客戶做軟碳類的材料,它有非常好的循環性能,我們不用擔心它的低溫性能,也不用擔心它的低溫吸鋰,但是唯一的就是能量密度不行。
軟碳這種經典的250、280的是市場上常見的,通過一些元素參雜我們可以做到300,甚至更高。做到300這個水準上基本上已經不敢再把參雜量提高了,再提高的話高電壓平臺就出來了。
從我們這個角度來看,我們一直想開發一款具有高能量密度的非石墨的負極材料,我們把著眼點放在了硬碳上,我們之前也開發過,但是以前有成本的,這個跟原材料有關,目前我們是把重點放植物類的,因為我們也有開發活性炭的經驗。我們希望利用硬碳大的碳層的間隙和無定型的結構來提升鋰離子在其中傳輸的速度,從而使它具有比較好的循環性能、低溫性能,同時還具有過能量密度的一個特性。
剛才說的這些都是優點了,缺點其實也很明顯,一個是它跟軟碳有點類似,首次效率不高,現在幾乎都不敢想象它能不能做到石墨的這種水準。導電性不好,它的內部空隙非常多,材料跟材料之間的接觸是有欠缺的,所以說它的電子傳導在內部也不好,我們是通過兩種手段,一種是通過表面改性,通過內部參入這種導電性的材料,來提升它的電子傳導的能力,從而解決他現在面臨的一些問題。
這個是貝特瑞研究院現在一款經典的硬碳和一款經典的軟碳材料性能的對照,BCS是硬碳,不SHC是軟碳。和它相對照的我們現在有一個300容量的高容量的軟碳,軟碳是85%左右。從這個曲線上來看,它跟石墨相比也有非常大的區別,石墨還是三級、四級平臺一個非常平緩的區縣,軟碳、硬碳都是非常陡峭的一個充放電的曲線。
從這個性能角度來講,使用硬碳比使用軟碳會進一步提升電池的能量密度。
這個是我們自己做的電池,也是用純的軟碳和純的硬碳來做圓柱電池。
用純的軟碳我們可以做到140瓦時每公斤,硬碳可以做到160瓦時每公斤。18650的尺寸是限定的,從這一點來看是可以提升它的能量密度的。
在6C充電10分鐘的話,這個也可以實現SOC93%、94%這樣一個性能,這個就是明顯的體現了它這樣一個快充的特性。
從均值電壓上,不管在什么樣的倍率下,不管是5C、10C、20C、30C,硬碳都有一個更好的放電電價。
在高倍率的情況下,硬碳比軟碳更小。這些都體現了硬碳在快充、高倍率充放電這些方面的一個優勢。
下面介紹一下硅碳和硅氧方面的進展。硅碳這一塊有非常高的能量密度,大家認為是4200也好,還是3580也好,這個是算法不同,總而言之,它是這種非常高的這樣一個能量密度。從硅碳的角度來講,我們覺得要從三個方面來解決這個硅面臨的問題,一個是納米化,另外一個是表面改性,現在大家用的最多的都是表面包碳,去保護它不跟電解液接觸,另外是使用一些Buffer去緩沖它體積的膨脹。
硅碳這一塊現在有兩款經典的產品,這個都已經商業化了,一款容量是600到700之間的,是包覆性的結構,另外一款是1300到1400這樣一個容量。
這個是硅氧,它跟硅碳相比天生就具有一個比較好的性能,和相對低的膨脹。
在硅氧這一塊我們有兩款經典的產品,160的容量,77的首效,另外一款是1400的容量,82的首效。
硅氧這一塊還有一個快充的理念,除了表面包碳之外,我們還可以通過內部碳參雜的工藝來提升它的倍率性能。大家認為硅碳、硅氧是高能量密度的材料,其實它本身也具有快充的特性。另外想說一下,我們也在做粘結劑的工作,目前我們做的情況來看,對于降低含硅負極的極片膨脹。
這個是我們開發的一款產品,我們叫BXGO,我們想綜合利用硅碳和硅氧的優勢,我們知道硅碳它起初循環降的是比較慢的,但是后面降的快,硅氧是起初降的快,后面降的慢,所以我們就想做一個材料,讓它實現一開始降的慢,后面也降的慢,從這個測試結果來看,我們也確實可以實現這樣一個理念,這個復合體系的循環性能是介于硅碳和硅氧之間的。
這個方面我想提一點思考,我本人做硅也做了很多年了,包括在美國也做硅,香港也做硅,包括在貝特瑞也做硅。
我們的產品在國內客戶的反饋來看,在電池跳水之前,循環性能大家都測的非常好,不管是深圳的客戶還是天津的客戶,但是就是在某一個階段會出現跳水,為什么會跳水?我們也在想這個問題,本來這個硅是嵌在材料內部的,但是我們發現這種跳水的電池里面,這個硅表面有大量的絮狀物,就像棉絮一樣。我們判斷,我們還沒有做非常仔細的分析,但是我們認為這應該是電解液的持續消耗,電解液這個結構可能還不夠完美,電解液滲透以后跟硅接觸,在硅的表面不斷的消耗,最后導致電解液耗干以后,電池就跳水了。
最后講一下復合的理念,上次三月份在華南鋰電的會議上也說過,我們希望把快充的理念,高能量密度的理念,長循環的理念做成一個復合體系,來同時滿足它的快充特性,長循環特性和高能量密度特性,最終絲實現點電動車的快續航里程。
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