作者:刁雯蕙 孟倩羽 来源:中国科学报 发布时间:2023/11/16 16:02:22
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超“能打”锂电池 应用可“上天入地”

 

凛冬时节,你的电动汽车和移动电子设备能抵御极寒天气吗?11月15日,第25届中国国际高新技术成果交易会上,记者看到,一款最新研发的锂离子电池正在经受上达零上80℃,下至零下70℃“冰火两重天”的极致考验。

受得了炎热、耐得住冰雪、充电快速、成本还低,这款超“能打”的锂电池由中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所先进储能技术中心研究团队历时10年研发,是我国首款具有宽温域、低成本、长寿命的电芯产品,上市后将有望打破未来新能源产业格局。

宽温域电芯产品亮相第25届高交会


据团队成员介绍,这项新型锂离子电池技术目前已实现了储能、动力等多个应用领域的电芯产品的规模化量产,并已于今年6月在我国东北等地分布式储能领域开展应用示范。

适应环境温差“横跨”150℃

从汽车到电子产品,锂离子电池早已渗透到人们生活,为衣食住行提供“动力”。《中国锂离子电池行业发展白皮书(2023年)》显示,2022年中国锂离子电池出货量已超过全球平均增速,我国锂离子电池产业在全球仍然居于领军者角色。

受电池材料限制,传统锂离子电池的工作温度在0~40℃,低于0℃后锂电池放电性能就会大幅下降。然而,我国幅员辽阔,气温随地域和季节变化大,北方地区冬季温度可以低至零下40℃以下,而南方地区夏季地表温度高达零上50℃以上。传统锂离子电池无法适应这样极端的温度条件,这就会造成一方面北部地区丰富的太阳能、风能等清洁能源难以直接并网供电;另一方面冬季电动车无法启动、智能手机自动关机,夏季电动车自燃等情况频发的棘手情况。

为此,该团队历时近10年,研发出了既抗冻又耐热的新型锂离子电池技术,可以同时兼顾低温与高温性能。

研究团队核心成员蒋春磊介绍,他们通过电池负极材料创新和电解液体系创新,直接扩大了电池的工作温度范围,其中最低工作温度达零下70℃、最高工作温度达零上80℃,实现了高寒酷暑的宽温域应用场景。

研发关键负极材料

这么能“打”的新型锂电池,究竟“新”在何处?团队主要从负极材料和电解液体系上下功夫。

据了解,目前电池的正极材料相关技术已接近“天花板”,要提升性能,负极材料尚有发展空间。为此,团队研发了一种新型铝基复合负极材料,通过与商用锂离子电池正极材料匹配,针对不同应用场景研发相应电解液体系,成功开发出了新型铝基∥∥磷酸铁锂电芯、铝基∥∥锰酸锂电芯、铝基∥∥钴酸锂电芯和铝基∥∥三元电芯等超宽温域电池产品。

“我们开发的电池产品除了耐热抗冻的特性以外,还具有高安全、长续航、快充和低成本的优势。”蒋春磊表示。

蒋春磊在高交会现场介绍宽温域电芯产品 深圳先进院供图


在安全性能方面,常规锂电池随着不断使用,内部会产生锂枝晶,既影响充电能力,还可能刺穿隔膜,带来电池短路等隐患。而团队开发的新型铝基负极,在低温和过充条件下能有效缓解锂枝晶的产生,提高了安全性。

在续航性能上,得益于铝基负极材料高的理论容量,该电池能量密度较传统锂离子电池提升13%~25%,能做到长续航。此外,由于铝基复合负极优异的导电性能,产品还表现出不俗的快充性能,20分钟即可充满电,为半小时充电需求提供了解决方案。

在成本方面,基于铝基复合负极的性能优势,并结合开发的高性能电解液体系,低温电池产品可以摆脱对昂贵的纳米级正极材料的依赖,电池成本可以降低10%-30%。

应用场景“上天入地”

据深圳先进院转化处处长吴小丽介绍,基于新型电池技术,该团队的23项相关专利依托深圳先进院,以知识产权作价6500万元,成功实现了技术转移转化,并于2017年3月成立了深圳中科瑞能实业有限公司。相关研究成果形成了包括PCT专利,中国发明专利,美、欧、日、韩发明专利在内的180余项专利池,获得授权专利120余项。目前已在四川广元启动建设超宽温域电芯和PACK制造基地,占地200亩,首期投资规模12.7亿元。

经过团队多年的技术攻关,新型宽温域电池技术已成熟并进入市场推广阶段,目前已与电动自行车头部企业、新能源汽车头部企业、能源领域央企等建立了广泛且深入的合作,提供的批量电芯性能评估已满足使用需求。

相关企业实测结果表明,使用针对低速电动车开发的铝基∥锰酸锂电芯产品在-50°C条件下放电容量保持率仍然超过60%;针对新能源汽车开发的铝基∥磷酸铁锂电芯产品可在-30°C的环境条件下高效充电,充电容量超过初始容量的91%,将有望解決电动汽车冬季续航缩水和低温启动困难的难题。

“有些场景需要零下40℃也能正常充放电,而有些则在长循环方面提出了更高要求。围绕核心技术,结合实际情况,我们对产品不断作出调整。”团队成员表示,相关产品可以应用于光伏储能、家庭储能、通讯基站储能、轨道交通、航空航天、极地科考等领域,尤其适用于高寒地区及亚热带地区,显著扩大了电池的应用范围。



 
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