金漆奖

清优材料宋春亮: 新能源汽车续航与安全问题的思考

清优材料宋春亮: 新能源汽车续航与安全问题的思考

为什么发展新能源汽车?

1. 石油能源危机

根据中国海关总署公布的数据,2019 年中国石油进口量约为5.06 亿吨,根据自然资源部公布的数据,我国2019年石油产量约为1.91亿吨,即中国的石油对外依赖度高达72%。通过查阅过去10年历史数据,我国的石油对外依赖度已经连续10年超过国际公认的50%警戒线。

清优材料宋春亮: 新能源汽车续航与安全问题的思考

比中国原油对外依赖度突破 70%更严峻的是,中国 70%以上的进口石油都经过马六甲海峡,运输通道集中而且单一,而近年来以美国为首的西方国家在搞单边主义&去中国化,贸易战摩擦激烈,包括台海形势错综复杂,一旦国际形势不稳定,石油海上运输风险将激增。面对错综复杂的国际形势,降低石油的进口依赖,对目前的中国具有极其重要的意义。

随着中国加入WTO及城镇化建设,国家鼓励汽车个人消费化,汽车选择越来越多价格越来越亲民,同时汽车保有量也急剧增加,到2019年底,国内汽车保有量高达2.6亿辆,汽车消耗的石油占比接近70%。

汽车是国家的支柱产业,国家鼓励汽车消费,能有效促进经济增长、稳定就 业,汽车保有量还将持续增长。大力发展新能源汽车减少对石油的依赖,是应对 汽车与石油三个“70%”挑战的最佳解决途径。

2. 空气污染问题

汽车尾气排放时,产生细颗粒物、氧氮化物及挥发性有机物,均对大气层尤其是人类居住的低空环境造成很大污染。环保部数据表明,机动车已经成为北京市大气污染物的主要来源,排放了全市58%的氮氧化物、40%的挥发性有机物和22%的细颗粒物。燃油车发动机技术经过上百年的发展,已经非常成熟,进步空间有限,因此大力发展新能源汽车是解决空气污染的有效手段。

3. 产业升级

中国的汽车产业经过多年的发展,现在已经是国民经济的支柱产业,2019年中国汽车产销量约为2570万辆,全球汽车产销量约为9030万辆,中国汽车产销量占全球比例为28%,位居全球第一,中国已经是名副其实的汽车大国。但可以看到,汽车的核心技术之一动力总成部分,中国整车厂与国外整车巨头如大众、丰田、通用汽车等差距极大,中国的零部件公司离国外零部件巨头如博世、采埃孚、电装等同样差距极大,核心技术掌握在国外巨头手中,中国是汽车大国但不是汽车强国。

新能源汽车是革命性的变化,驱动由发动机变速箱转变为电池电机电控(简称三电),而在三电领域中国跟国外发达国家的技术水平处于同一起跑线,有机会实现弯道超车。习近平主席在 2014 年 5 月 24 日视察上汽集团的时候明确提出,“发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路”。到目前为止, 中国在全球建立了最大的锂离子电池产业链,全球十大电池供应商七家在中国,甚至出现了国外巨头整车厂抢夺国内电池供应的局面,充分证明了大力发展新能 源汽车产业的正确性。

综上所述,中国必须大力发展新能源汽车。在最近发布的国家十四五规划中明确提到,“发展战略性新兴产业。加快壮大新一代信息技术、生物技术、新能源、新材料、高端装备、新能源汽车、绿色环保以及航空航天、海洋装备等产业。”

发展新能源汽车的瓶颈

在新能源汽车发展过程中,在消费端来说,由于充电桩建设不够完善,快充技术不够成熟,消费者有很强的里程焦虑,希望汽车有更长的续航里程,即电池 具有更高能量密度;同时对于制造端来说,在一定空间内装载更多电量能降低单位成本,即电池具有更高能量密度,因此市场对电池能量密度提出越来越高的要 求。电池能量密度的提高目前主要通过正极材料的能量密度的提高来实现,即采用高镍三元材料,而高镍三元材料稳定性较差,易出现热失控、起火甚至爆炸。

清优材料宋春亮: 新能源汽车续航与安全问题的思考

目前安全问题已成为新能源汽车进一步发展的主要瓶颈,急需从材料、设计等多维度去解决此问题,消除消费者顾虑,使行业能健康快速发展。工信部于2020 年 5 月 12 日颁布了《GB 18384-2020 电动汽车安全要求》、《GB 38032-2020 电动客车安全要求》及《GB 38031-2020 电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项 强制性国标,于 2021 年 1 月 1 日起强制执行。且工信部在 2020 年 6 月 8 日发 布了号称“史上最严”的新能源汽车安全隐患排查的通知。可以看出国家对新能 源汽车安全问题的重视。

新能源汽车对消费者来说首先是一辆好车才能让人有购买欲望,满足好车的最基本条件是续航里程足够且安全性高,但续航里程高就必须提高能量密度,跟安全是一对矛盾,因此下面我们对锂电池安全问题进行各个角度的分析,目的是 通过材料、电气、设计等创新解决电池安全问题。

电池安全问题分析

1. 如何提高能量密度

如前文所述,首先电池系统能量密度需要提高,提高系统能量密度主要是通 过提高单体电池(以下简称“电芯”)能量密度及优化结构来实现,即电芯材料创新及结构创新,如图 3 所示。

清优材料宋春亮: 新能源汽车续航与安全问题的思考

1)电芯材料创新

电芯中主要材料分正极、负极、隔膜及电解质,其中隔膜起离子传导和隔开正负极避免短路作用,电解液起离子传导作用,一般认为对电池能量密度贡献较小,提高能量密度主要通过正负极材料的创新来实现。

正极材料:

提高能量密度主要是提高脱锂电压平台及提高材料比容量,目前产业化的成熟路线是LFP及NCM,NCM电压高于LFP,且由分子结构决定NCM比容量比LFP 更高,同时结构决定了同样重量下LFP体积能量密度更低,因此目 前在正极材料上的创新主要是降低NCM中Co的含量,提高Ni含量,过去几年间NCM从NCM333(Ni:Co:Mn=3:3:3)演变到 NCM811(Ni:Co:Mn=8:1:1),大幅度提高了能量密度。

在 NCM 体系中,Ni 起提供比能量作用,Co 起稳定材料层状 结构作用,Mn 起提高材料热稳定性作用,可以看到,材料从 NCM333 变成 NCM811, 能量密度大幅提高但结构稳定性和热稳定性都大幅下降,NCM811 分解温度较低 且分解时产生氧气,能直接快速起火甚至爆炸,此处提高能量密度是以牺牲电芯 安全性为代价的。

负极材料:

提高能量密度主要是降低脱锂电压平台及提高材料比容量。目前 产业化的石墨负极脱锂电压为 0.1V,理论比容量 372mAh/g,而新型负极硅负极 脱锂电压为 0.5V,理论比容量 4200mAh/g,远远大于石墨负极,因此硅负极能提 高能量密度。但是硅负极在充放电过程中体积膨胀约为 300%,远大于石墨的 10%, 因此循环寿命急剧衰减,目前无法单独使用,一般是在石墨负极中掺杂 5-15%的 硅来复合使用。掺杂了硅负极后,电池膨胀率加大,电芯内部均热性变差,循环寿命有所下降,且均热性变差后一定程度上增加了热失控风险。

同时,在科研阶段的锂金属电池是个理论能量密度更高的材料,理论比容量3861 mAh/g,略低于硅负极,但锂金属电压为 0V,因此理论能量密度更高。目前锂金属负极主要存在活性太强储存难、易产生锂枝晶等问题,离产业化还有较长距离。

2)结构创新

除电芯中材料创新提高能量密度外,结构设计的创新及结构材料的创新也是提高能量密度的有效手段。

结构设计创新:

目前主要是在不影响结构强度的情况下通过精简各种结构件 提高空间利用率来达到目的,趋势是将模组做成大模组,甚至无模组化,如宁德 时代推出 Cell to Pack 方案(以下简称 CTP),电芯直接装配成 pack,去除了传统 的中间态模组结构,节约了大量的空间和结构件的重量。此 CTP 方案的核心材料 之一是大量采用了满足性能的导热结构胶,用约 0.5mm 厚的结构胶粘接固定替 代了大量的塑料框、金属结构件等降低重量,同时电芯直接粘接在一起节约了大量空间。

此处值得重点一提的是比亚迪刀片电池技术,刀片电池仍然是正极磷酸铁锂 +负极石墨,但普通电芯尺寸一般是长 300mm 以内,为了增加能量密度电芯厚度做到了 30mm、50mm 甚至更厚尺寸,均热性较差,比亚迪刀片电池自主研发的工艺将电池做到了 2000mm 长,厚度 13.5mm,更薄的电芯带来更好的散热,极大的提高了体积利用率的同时电池散热性能做到了很好,提高了体积能量密度且 大幅度提高了电池系统的安全性。此创新堪称锂电池领域重大工程创新,值得大家学习。当然,受材料体系所限,磷酸铁锂要进一步提高能量密度很难,已接近材料理论上限。

结构材料创新:

除结构设计创新外,结构材料本身的创新也是提高能量密度 的有效方法,主要是采用密度更低、更轻薄的材料达到轻量化的目的,如连续玻 纤增强尼龙替代铝合金等。

电芯材料创新及结构创新均能提高能量密度,但结构创新为辅,最大比例提 高能量密度还是通过正负极材料的创新来达成。通过前文所述,目前提高能量密度主要是提高正极材料的比容量如采用高镍材料,高镍材料必然带来安全性问题, 下面将目前行业内科学家、企业家、工程师们对提高电池安全所做的思考和努力做个汇总分析。

2. 如何提高电池安全性

除电芯本身安全外,结构安全及电气安全同样十分重要,下面从电芯安全、电气安全及结构安全三方面来展开阐述,见图 4.

清优材料宋春亮: 新能源汽车续航与安全问题的思考

1)电芯安全

正极材料:

提高能量密度需要高镍,因此如降低 Ni 含量或采用 LFP 不可取,短时间内比亚迪独有技术在结构创新上提高了 LFP 体积能量密度但后续进一步提高还是需要在材料上提高。因此目前对于提高安全性来说,在正极材料上做创新效果较小。

隔膜:

隔膜对能量密度贡献不大,但对安全性影响较大,主要是隔膜在高温下易变形导致短路,因此对隔膜的改性主要是提高其耐温性,如目前成熟的技术是进行陶瓷涂层改性,用精密涂布机进行浸润涂布的工艺来进行陶瓷化改性,以提高隔膜强度及耐温性从而提高电芯安全性。

同时也有在研究用本体材料耐温性更好的树脂做隔膜,如芳纶、聚酰亚胺等,但目前此类材料存在加工困难、离子传导率低等问题,还需要继续改进。

负极材料:

负极材料目前通常为石墨,一般认为跟电池安全性关系较小,因此在负极材料上做创新对提高电芯安全性效果不明显。

电解质:

目前主要是液态,如六氟磷酸锂+碳酸酯类溶剂组成的电解液,提供良好的离子传导性。但目前的溶剂均为低闪点的易燃物,在电池热失控起火后电解液起助燃作用,加速热扩散,因此对电解质的改进主要集中在提高阻燃性方面,包括通过氟化等手段改变分子结构合成出阻燃更好的溶剂、物理共混添加阻燃剂等,但目前均存在阻燃提高后离子传导能力变弱的问题。

同时革命性技术固态电池的研究如火如荼。固态电池是采用固态电极材料和固态电解质材料不含任何液体的电池,理论上具有高能量密度、高安全性能、高循环寿命、高生产效率等特点,能彻底解决液态电解质易燃问题。目前固态电池尚处于研究阶段,方向主要是聚氧乙烯 PEO 体系、氧化物体系及硫化物体系。

PEO体系电解质由于结晶度高,导致室温下导电率低,因此工作温度通常需要维持在 60~85℃,电池系统需装配专门的热管理系统。此外,PEO的电化学窗口狭窄,难以与高能量密度正极匹配,能量密度较低。

氧化物固态电池倍率性能及循环寿命都比较优异,但电解质无法浸润电极,且存在比较大的界面电阻,导电性能较差。目前国内如清陶发展等企业在进行氧化物固态电池的开发。

硫化物固态电解质由氧化物固态电解质衍生而来,由于硫元素的电负性比氧元素小,对锂离子的束缚较小,有利于得到更多自由移动的锂离子。同时硫元素半径大于氧元素,可形成较大的锂离子通道从而提升导电率。但空气敏感性、易氧化、高界面电阻、高成本等问题还需要很长时间来解决。目前三星、松下、索尼、宁德时代等都在进行硫化物固态电解质的研发。

2)电气安全

电芯在装配成组后,需要对其进行全生命周期的监控及管理,一般通过电池的大脑 BMS(Battery Management System)来管理。BMS 通过各种传感器如温度、压力、电流等对电池进行监控,监控电池的电压、电流、温度等状态,且在发现异常时进行调控,在电池发生热失控调控不了时进行包括报警、断电等行为。这里不止是硬件的堆砌,更重要是软件算法,如何能在各种工况下精准的估算电池的状态,这方面国内跟国外是有较大差距的。同时现在有研究加特定探针到电芯内进行更为精准的电芯状态检测的研究。

3)结构安全

除了电芯本身特性及做好电气安全防护外,结构设计也非常重要。结构设计主要分主动安全防护及被动安全防护。主动安全防护主要是通过材料选型、结构力学仿真等来设计合理的结构,确保电池包箱体强度足够,且在振动、跌落、挤压、泡水等严苛的工况下电池模组及系统不散架不起火。被动安全防护主要是指电芯一旦热失控后开始急剧释放热量时,如何选用合适材料及合理的设计来延缓热量快速扩散从而抑制电池热失控连锁反应。

被动安全防护主要是通过各种隔热、防火材料对热量及火焰进行阻隔来实现保护电池包的目的,本人的项目主要就是开发电池包被动安全材料如电芯&模组间、上盖内侧等应用点的隔热防火材料,来延缓电池包热扩散,增加乘客逃生时间。

被动安全材料开发

1. 电芯&模组间

单个电芯热失控后,温度急剧升高且通过热传导向相邻电芯传递,此时需要隔热材料将热量隔开,避免相邻电芯相继热失控。常见的隔热材料有泡棉、气凝胶毡等。电芯热失控后温度迅速上升至 1000°C,一般泡棉在此高温下迅速分解失效,无隔热效果;气凝胶毡为二氧化硅气凝胶粉体及玻璃纤维棉复合物,能短时间耐 1000°C,有一定隔热效果。前文讲述过,电池在充放电时有膨胀现象,气凝胶毡无回弹性无法吸收电池膨胀,长时间使用会造成电芯内部压力过大导致循环寿命衰减问题,同时气凝胶量产工艺为高温高压且专利掌握在美国公司手中,存在高成本及供货不稳定的风险。

针对气凝胶存在的问题,本人带领团队根据电池热失控温度曲线来针对性开发一款兼具高回弹、耐高温、高隔热、低成本的材料。我们通过查阅文献、多次试验,最终自己合成出一款厚度 1.5mm 密度 0.35g/cm3 能长时间耐 1000°C高温的隔热防火泡棉,替代气凝胶毡延缓电池热扩散。

2. 上盖内侧

电池在开始热失控后在电量放光之前基本上是不可终止的,会剧烈放热起火,因此在电池起火后需要将火焰控制在箱体内不蔓延至外部。火焰为电芯热失控后高温高压气体喷射且达到燃点而产生,往上扩散,短时间内温度高达1200°C,压力达到 1MPa,首先烧到上盖内侧,上盖一般为铝合金、钣金、玻纤增强塑料等,在高温高压冲击下箱体很快被烧穿,火焰蔓延至车身危及人身安全,因此需要装配能耐高温高压的材料提高安全。目前行业内主流应用是安装2mm 厚云母板,能有效防护火焰使短时间内不烧穿上盖。云母虽然能有效防火,但存在以下几个问题,不是用户心中理想产品,需要新材料去改进,主要问题如下:(1)云母为硅酸盐类硬质产品,密度较大,为 2.0g/cm3,不利于轻量化;(2)云母需要根据箱体不同形状进行裁切加工,用户采购成本较高;(3)云母与模组或箱体通过螺丝铆接加胶带粘接来固定,只能人工装配无法实现自动化,用户生产效率低&制造成本高。

针对云母存在的问题,我们努力开发一款轻量化、低成本、自动化装配的材料,通过条件筛选最终选定开发一款隔热防火涂料,解决云母的问题。市面上的防火涂料喷涂厚度 3mm 以上,且只能耐 800°C,我们通过查阅文献、多次试验,最终自己合成出一款喷涂厚度 0.7mm 能耐 1300°C 的防火涂料,替代云母延缓电池热扩散。

浙江清优材料科技有限公司创立于2017年,是一家以市场需求为导向,集研发、生产和销售为一体的创新型企业。清优材料专注于提高新能源汽车的安全性,秉承着高效的执行力、优质的服务和创新性,专业提供新能源汽车动力电池热管理材料及综合解决方案。沃衍资本曾于2017年领投清优材料A轮融资,并于2019年再次注资。

文章来源:沃衍资本

责任编辑:路遥

特别声明:文章版权归原作者所有。本文转载仅出于传播信息需要,并不意味着代表本平台观点或证实其内容的真实性;文中图片仅供个人学习之用,著作权归图片权利人所有。任何组织和个人从本平台转载使用或用于任何商业用途,须保留本平台注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望文章或图片被转载,请与我们接洽,我们会第一时间进行处理。

上一篇 2021-01-20
下一篇 2021-01-20

狸巢家居推荐

  • 省政协党组副书记、副主席陈俊卿到广源开展提案工作调研

    5月21日,江西省政协党组副书记、副主席陈俊卿走进广源集团总部开展提案工作调研,实地了解碳酸钙产业发展情况。吉安市政协党组书记、主席刘兰芳参加,永丰县政协主席易红根,县委常委、常务…

    2024-05-23
  • 行业专家齐聚,嘉宝莉牵头制定这项标准!

    继团体标准《生物基木器涂料》牵头单位讨论会议召开后,嘉宝莉家具漆持续关注生物基涂料在行业的发展及使用状况,并进行相关行业研发及使用数据研究。5月17日,生物基木器涂料团体标准第一次…

    2024-05-23
  • 香港中远海运亮相Intermodal Asia 2024

    五月的上海,生机盎然,繁花盛开。5月22日,备受瞩目的集装箱行业年度盛典——2024集装箱多式联运亚洲展(Intermodal Asia)在上海世博展览馆隆重开幕,香港中远海运所属…

    2024-05-23 涂料
  • 索菲亚家居&展辰新材共赢未来

    阳光和煦,繁花似锦,5月22日展辰新材珠海工厂迎来了索菲亚家居股份有限公司供应链中心、质量中心及研究院团队的到访,展辰新材珠海工厂总经理李旭汕先生、胶粘剂事业部总经理周言明先生携管…

    2024-05-23
  • 路易诗兰艺术涂料,《品牌中国》栏目重点推荐品牌!

    “日前,路易诗兰(广东)新材料有限公司与《品牌中国》栏目携手,双方正式达成战略合作协议,品牌中国授予路易诗兰为《品牌中国》栏目重点推荐品牌,同时授予路易诗兰艺术涂料行业“品牌中国工…

    2024-05-23