迈科低温动力锂离子电池研究进展

中国化学与物理电源行业协会于2016年10月13日-14日在杭州召开了“第二届混合动力车市场与先进电池技术发展研讨会”，会议受到了国内外电池、材料、设备和汽车领域众多企业的广泛关注，400多位国内外嘉宾参会。自2014年4月中国化学与物理电源协会在北京组织了“第一届混合动力车市场与先进电池技术发展研讨会”以来，在国内外纯电动车和插电式混合动力车取得较快发展的同时，混合动力车辆，特别是微混车辆也在国际上得到预期的快速发展。特别是近来进一步提出了发展48V电池体系与技术的要求,使电池行业又出现了一个新的发展热点。

“第二届混合动力车市场与先进电池技术研讨会”的举办，给大家提供了一个交流的平台，帮助大家了解国内外在混合动力汽车产业方面的发展动向、最新进展，交流适用于混合动力汽车发展的各种电池技术及其最新进展。希望通过技术交流，能对我国混合动力汽车产业的发展起动一定的借鉴和推动作用，加快我国混合动力汽车用各类电池技术的快速发展。

在本次会议上，东莞市迈科新能源有限公司技术总监宋晓娜博士做了“迈科低温动力锂离子电池研究进展”的专题报告，以下是根据速记整理的文字，未经本人审核，仅供参考。

我主要是想介绍一下迈科在动力低温锂离子电池方面做的一些工作。我的演讲主要是分四个方面的内容，一是低温电芯挑战，二是低温电芯的解决思路，三是低温典型结果展示，四是迈科锂电介绍。

迈科为什么要开发低温锂离子电池？中国大部分区域冬天的时候温度非常低，都在零下20摄氏度，零下30度也是有的，所以在低温下新能源汽车的充电也是非常困难，因为它的行驶里程也会有明显的降低。锂离子电池在低温下在充放电有什么样的瓶颈？第一个图就是锂离子电池工作原理，在座的各位应该对这个很熟悉，锂离子从正极里面脱嵌出来通过电解液、隔膜到负极的结构，同时电子进入到负极，那么在低温下这个过程发生了什么变化？因为在低温下有一个很明显的反应，温度降低低阻抗增加，主要的原因可以从以下几个方面来分析，一个是低温对材料导电率的影响，二是低温下电解液黏度增加，导电率下降，同时离子迁移率也会降低。从全电池的EIS阻抗图谱可以看到，随着温度的变化，阻抗值的变化情况，温度从25℃降到0℃的时候，阻抗增加非常明显。

锂离子工作过程说一下，从充电来讲，锂离子在充电的过程当中首先从正极脱嵌出来，经过电解液、隔膜，然后进入到负极表面，然后通过SEI膜（音译）进入到负极材料，最后进入的过程就是固定扩散的过程。我们把锂离子电池阻抗用一个等效的电路图模拟出来，把阻抗分成三个部分，刚才有人问到这三个部分分别代表了什么东西，就从这个阻抗图来解释，Rs代表的是与锂离子和电子经过电解液、隔膜、负极材料以及导线过程有关的一个阻抗。另外一个部分是高频区域，这个地方是Rf，是锂离子进入到活性材料表面，要经过一个绝缘层，也会产生一定的电阻，其实主要的还是活性材料表面SEI膜产生的阻抗。第二个半圆也就是中频就是电子产生的阻抗，另外一部分是斜线部分，离子在活性材料里面的固体的扩散过程。当然这只是一个等效的模拟来解释的，它也是有很大的局限性的，因为是在一种理想的情况下模拟出这样一个电路来，而且数据拟合的时候也有很多的局限性，我们做分析的时候也还是从整体的阻抗变化来分析这些影响因素的。

做成了这样一个等效电路图，并拟合出了这三个部分的电阻数值，随着温度的变化，这三个部分都有明显的增加，其实Rct增加最为明显。同时为了分别研究正极和负极这三个部分随着温度的变化，我们也对正极和负极两种阻抗的变化做了这样的数据拟合，可以看出不管是正极，还是负极，随着温度的变化，三个部分都有增加，Rct是最为明显的，负极材料的增加比正极更为显著一些。

我们把电池的充放电过程中锂离子传输所遇到的这些电阻模拟出来，计算每一部分对电阻的贡献比例，其中负极所占的影响比例最大，其次就是正极，然后就是电解液，我们准备从这三个方面来改善低温性能，低温过程最明显的一些因素变化就是阻抗的增加。正极这块，我们的思路跟大家相似，减少颗粒的粒径，对材料进行表面包覆和掺杂。负极这块也采用了和正极一样的思路，采用优化颗粒尺寸的手段。我们也做了实际的阻抗测试，采用这种改善后的材料，它的阻抗是有明显降低，当然这也是整体的阻抗数据来显示的。电解液这块，因为我们公司电解液这块是自己出配方，我们主要是降低它在低温下的黏度，同时提高低温下的电导率，我们做了测试，低温下的电解液随着温度的降低黏度不会有非常大的升高，电导率也不会下降。我们在导电剂引入了复合导电剂，希望在活性材料表面形成点、线、面多维的导电网络，这个材料体系也已经导入了低温的产品中。还有就是粘结剂，我们常规的粘结剂都是立状的形态，这种阻抗的不均也会产生阻抗的增加，所以我们导入新型的粘结剂，以面状的形式呈现，所以阻抗的均匀性会有很大的改善，一定程度上也降低了整体的阻抗值，我们测试了采用不同粘结剂的电池阻抗，它的阻抗值降低了50%。

下面通过这些改善，展示一下我们迈科在低温电池这方面的典型成果。我们是做圆柱形锂离子电池，同时开发了磷酸铁锂体系和三元体系两种低温锂离子电池，这两种体系都可以满足在零下40度1C放电大于70%，零下20度可以0.2C充电不析锂，同时这种体系的倍率性特别好，3C充放可以做到1500次，大于80%的容量保持。具体的数据再介绍一下，这是我们低温磷酸铁锂电芯体系性能，右边的曲线第一是零下20度1C放电体系，红色是常规体系，蓝色是低温体系，放电容量有非常大的提升，低温体系可以放到90%以上，常规体系只能是70%。放电能量低温体系是80%。在零下40度1C放电，红色常规体系没有什么容量，但是我们低温体系可以放出90%，能量可以放出70%，常规体系下基本上没有什么能量可以放出来。我们也对低温电芯做了低温下10个循环，然后进行拆解，看它的极片有没有析锂，结果显示10个循环以后负极极片仍然是比较均一的金黄色，完全没有吸锂。这是我们低温磷酸铁锂体系电芯的循环寿命，我们体系刚刚推出，测试没有很完整，这是我们真实的数据，常温1C充电循环，目前是1200次左右，92%以上的容量保持。3C充放循环1400次，80%以上的容量保持。45度的1C充放循环，1100次左右，90%的容量保持。零下20度做了0.2C充0.5C放的循环，100多次，前面十几个循环降低得比较快，后面降低得比较小。再介绍下低温三元电芯，左边的数据也是常规的性能数据，右边是零下20度1C放电曲线，蓝色是低温体系，红色是常规体系，容量上差异不大，但是平台高出了很多。这是零下40度1C放电，常规的红色体系没有容量放出来，蓝色低温体系可以放到70%的容量，能量可以放出大于60%。同样我们也做了低温下10个循环进行拆解，同样负极极片呈现出均一的金黄色，完全没有析锂）。这是我们三元体系的循环数据，第一个就是常温下0.5C充1C放，现在做到1000次，有92%的容量保持。也做了1C充3C放的循环，现在做到1000次，90%以上，满足1500次是完全没有问题的。另外也做了45度1C充放循环，现在可以做到接近1000次，85%以上的容量保持。零下20度的循环，后面趋势逐步趋平，前面比较快。

低温电芯开发出后在北方市场的应用热管理策略比较容易实现，如果在北京以南Pack就不用考虑加热系统。我们还考虑了均热和散热，希望每一个电芯都在同样的温度下工作，这样就不会出现电芯性能上非常大的差异。

下面利用几分钟的时间介绍一下公司，我们迈科新能源成立于2003年，主要是从事锂离子电池的研发和生产，2009年就启动了新能源动力锂离子电池的项目，同年成立了迈科研究院，2012年成立了新能源科研团队，广东省第四批创新团队是做先进动力锂离子电池研发，其中团队成员是美国一些著名专家，第五批新团队是钠离子电池。我司的主营业务是锂离子电池，一是消费类的聚合物锂离子电池，二是动力和储能用的圆柱形锂离子电池，今年年底会推出方形铝壳锂离子电池，应用在动力和储能市场上。这是我们迈科的一些研发平台，有院士和博士工作站，同时又几个实验室。这是我们迈科自己的研发中心，2015年初光设备这块投入了两千万建立了自己的研发中心，另外我们在松山湖购买了一个研发基地，设备这块准备投入五千万。刚才有提到我们广东省的第四批创新团队，主要是先进的动力锂离子电池，2014年导入，同时也研究了下一代的Li-S,Li空气电池技术。广东省第五批创新团队主要是研究钠离子电池，钠离子资源非常丰富，价格比较低，另外也比较安全环保，循环寿命比较长，但是能量密度比较低，跟锂离子电池相比还有一点劣势，可用在储能市场上。目前我们的钠电池实际测试的数据与我们的目标接近，放电平台也基本上达到我们的要求，100个次循环，放电容量保持率97%。考虑到锂离子电池在新能源汽车上的应用前景问题，我们未来在筹划广东省第六批创新团队，计划开发燃料电池。目前我么批量供货的产品三元体系有两个，6.3安时和7安时，循环寿命2500次大于80%，磷酸铁锂体系电芯5安时和5.5安时，1C/1C3000次，大于80%；三元VDA电芯，目前已经有样品线，生产线会在今年年底投入量产。本次演讲主要目的还是想推广我们的低温电池，希望为北方新能源汽车的推广做出我们的贡献。