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【鹏锦科技冠名】雷洪钧博士专栏 |富锂锰基动力电池和陈光森博士

时间:2019-08-29 来源:嘉怡时尚

摘要:通过多轮的产品开发,人们开始认识到,动力电池要用到汽车上来,必须要满足2个基本条件,一是满足汽车产品续航里程,二是充电时间要相当的短。

在中国,汽车整车厂开始研发和开发电动汽车,是基于磷酸铁锂动力电池比能量实现了70wh/kg,这是2007年的事情了,以前都是大学和科研机构在主导。汽车整车产品要与市场客户接轨,发现磷酸铁锂动力电池比能量远远不能满足汽车产品续航里程的要求,于是将其运用于电动公交车。

公交车一次运程比较短,利用一趟往返的间歇时间,可以用来补电。接下来,又发现磷酸铁锂电池充电时间太长了,于是开始用上钛酸锂电池。通过多轮的产品开发,人们开始认识到,动力电池要用到汽车上来,必须要满足2个基本条件,一是满足汽车产品续航里程,二是充电时间要相当的短。

钛酸锂电池充电倍率比较高,但是比能量太低了。综合比较后,还是磷酸铁锂动力电池优势明显,后来磷酸铁锂动力电池的安全性也被业界认可,加上磷酸铁锂动力电池的快充性能再提升了,于是电动客车必须要求用磷酸铁锂动力电池,也被业界认可。技术一步、一步提升,电动客车续航里程由不到100公里、到150公里、到200公里、到300公里、到500公里。中国电动客车,尤其电动公交车技术上取得世界公认的成功。

全国电动公交车总的保有量为60万辆,每一年市场容量在20万上下。发展电动汽车重心在乘用车和货车上,而磷酸铁锂动力电池,在理论上比能量为170wh/kg,远远不能满足乘用车和货车电动化的要求。

开发出高比能量电池,是电动汽车研发和开发工程师的愿望,也是动力电池研发和开发工程师的历史使命。于是有了三元电池的出现。陈光森博士及团队在2005年就开始了全球最早的三元电池研发和生产,2015年便已研发出了200wh/kg的三元动力电池。电动乘用车和电动货车(电动物流车),最理想的是要用三元电池被业界认可,到2018年年底,宁德时代高调对外宣布开发成功304wh/kg的三元动力电池,2019年开始投入商用。

三元正极材料其中N代表着Ni镍,C代表着Co钴,M代表着Mn锰,目前有NCM424,NCM333,NCM523,NCM622,NCM811等多规格的产品,见图1。

三元电池的安全机制被质疑,其正极的上游材料Co钴必须进口。按规划,2020年中国动力电池单体成本要下降到0.7元/wh,而三元电池正极材料含Co钴,Co钴是稀缺资源,中国必须进口,三元材料没有下降空间,上涨是基本趋势。

发展电动汽车,成本高是另外一个屏障。富锂锰基电池不含Co钴了,陈光森博士及团队为动力电池成本下降,开辟了一条新路,理由有:

①中国锂资源丰富,以青海为代表。据2017年9月19日在青海发布的《青海锂产业专利导航报告》数据显示,全球已查明的锂资源储量为3400万吨,青海盐湖锂资源占全球锂储量的60%以上。

②中国锰资源同样丰富,以广西和湖南为代表。我国陆地已查明锰矿区213处,保有锰矿石储量5.66亿吨,其中A+B+C级占40%,为2.27亿吨。如按矿石平均含锰21%计算,保有锰金属储量1.19亿吨,其中A+B+C级0.48亿吨。

③遨优动力电池以富锂锰基电池为主打电池,目前有湖州、南浔、肇庆三个生产基地,其中肇庆基地一期项目已经投产,年产能达1.5GWh,肇庆基地产能总规划3GWh,计划分两期完成建设,遨优动力电池总产能将达到4-6gwh。

陈光森博士出生四川,拥有着名古屋大学金属材料系博士及田纳西大学化学系博士的双博士学历。2005年开始全球最早的三元电池研发和生产,2015年便已研发出了200wh/kg的三元动力电池,是业界资深专家,其(见图2)简历如下:

1979~1983年沈阳东北学院金属材料有色系学士;1984~1990年日本名古屋大学金属材料系硕士、博士;1990~1991年日本住友金属矿山株式会社中央研究所研究员;1991~1993年美国田纳西大学化学系博士;1993~1997年新加坡Varta电池有限公司开发部副经理;1997~1998年香港松柏电池开发部总经理;1998~1999年新加坡材料研究院研究员;2001~2013年广东精进能源有限公司总裁;2014年1月~山东恒宇新能源有限公司总裁;现任浙江遨优动力系统有限公司总经理、中国新能源企业家俱乐部理事长。2017年,陈光森博士研发的动力电池的能量密度提升至240wh/kg并开始量产。

业内人士都知道,国家层面有关动力发展技术路线图里面是原来没有富锂锰基电池,2018年初,业内权威人士甚至预测,实现富锂锰基动力电池的产业化应用并不现实,其观点是,富锂锰基正极材料具有放电比容量的绝对优势,但要将其实际应用于锂动力电池,必须解决以下几个关键技术问题:

一是降低首次不可逆容量损失;

二是提高倍率性能和循环寿命;

三是抑制循环过程的电压衰减。

目前解决这种材料问题的手段很多:包覆、酸处理、掺杂、预循环、热处理等方法,但是这些方法只能在某些方面提升材料的性能,还没有万全之策。

而陈光森博士对其经过8年的潜心研究,是中国第一个将富锂锰基电池量产化开拓成功者。其主要观点如下:

1.富锂锰动力电池量产是业界难题,其难点在,首次效率低,导电性差,高电压电解液匹配难;

2.遨优动力在全球率先实现富锂锰动力电池的产业化,使富锂锰动力电池的电化学性能取得了突破性进展,使其达到产业化应用水准;

3.克容量方面,富锂锰基材料高达300mAh/g,三元材料实际克容量则低于200mAh/g,锰酸锂材料更低,大约为100mAh/g;

4.安全性方面,镍和钴对电解铝有催发作用,容易分解。但是富锂锰的镍和钴含量比较少,安全性能更好;

5.富锂锰材料已经基本无钴了,富锂锰里面镍+钴的含量只有三元锂的三分之一左右,三元材料成本为1~1.2元/Wh,而富锂锰基材料的成本仅为0.8~1.0元/Wh。

6.未来,随着电动汽车市场的扩大,三元材料中镍和钴的成本将会越来越高,富锂锰基材料是未来高能量密度动力锂电池正极材料的必然选择。

2018年11日2日,科技部网站发布消息,北京大学夏定国教授团队开展新型高比能锰基正极材料研究,突破了掺杂、包覆、纳米形貌等传统改性方法的限制,将LiMO2相与单层Li2MnO3相复合制备出了一种O2构型的富锂锰基动力电池正极材料,其比能量密度高达1380Wh/kg。

2018年科研层面和企业层面在新型高比能锰基正极材料研究和产品研发,都取得可喜成绩。整车厂更偏重,企业的新型高比能锰基动力产品。

2018年5月,遨优动力首款富锂锰动力电池通过国家强检,也是我国第一款通过国家强检的富锂锰动力电池。遨优动力的富锂锰基电池产品单体能量密度已经达到220Wh/kg,系统能量密度140-160Wh/kg,部分产品电芯能量密度可达到240Wh/kg。2018年6月份开始多个配套富锂锰基电池的新车型公告相继出来,主要集中在乘用车领域,引发热议,太振奋人心来,

通俗的理解,富锂锰动力的发展,只要求动力电池汽车带两个油箱体积(重量)大小的动力电池包即可。富锂锰动力电池的量产,电池动力汽车续航、安全不再有焦虑,而电池动力汽车续航超过800公里,充电焦虑也就不存在了。

2018年富锂锰动力电池量产、装车成功,已经载于中国新能源汽车发展史册,2019年是新中国成立70周年,中国动力电池一定再上一层楼,中国新能源汽车成为强国的梦想一定会变成现实。

注:本文作者雷洪钧博士为扬子江汽车公司总工(高级工程师) ,中国新能源俱乐部专家委员会主任。

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