5月21日下午，由中国化学与物理行业协会动力电池应用分会、电池中国网联合主办，东莞塔菲尔新能源科技有限公司重点支持的“Li+学社·成就锂享 智信未来（2018）系列电池技术沙龙”第三期：“应用极限-动力电池全生命周期研究”在深圳举办。

塔菲尔新能源产品可靠性与安全部经理李恺博士做出了题为：《长寿命高性能电芯研发难点与突破》课题报告。

李恺：我们的主题是高能量和长寿命动力电池的交流。

    高能量密度跟长寿命这两个话题放到一起，本身是相对矛盾的。但这种矛盾对于我们研发来说是一个挑战。我跟大家汇报一下塔菲尔研究院目前做了哪些工作。

    主要分三块：第一，塔菲尔电芯介绍；第二，产品技术特点和前沿技术调研；第三，寿命风险评估和研究。

    我们公司2014年成立，主要的产品是动力电池和储能电芯的研究，总部在江苏南京，同时在深圳、东莞、北京、台湾都有设立子公司，负责业务的交流。

    公司的产品主要有5方面的特色：1，高安全性。我们测试的是国标、IEC、UL认证，发表了200多项安全设计专利。2，高能量密度。目前量产的产品达到215Wh/kg产量产品。2020年的计划是300Wh/kg概念产品。3，低温放电，达到25度90%的水平。4，快充，目前可以做到6分钟的50%以及15分钟80%的充电能力。现在已经可以达到量产水平的最高水平12分钟量产快充。5，主大的特色长寿命。目前量产产品可以做到5000Cycle，概念产品希望作10000，目前也有一些数据。

    这是我们调研的关于2011年到2012年锂电池的出货量以及对于电池需求的预测。2013年、2014年、2015年我们出货量增长非常快。2015年比2014年多增长了3倍。我们对于需求的预测，目前铁锂还在增长，但增长幅度比以前小很多。三元，预期未来有非常大的扩产。

    这是政策和技术路线调研（见PPT）。目前国家2020计划里明确2020年要做到300Wh/kg，2025年为400Wh/kg。

    我们希望做到的电池是从电池生产到电动汽车、储能应用以及到拆解回收。电池生产到汽车，到储能阶梯利用的落地，目前是挺困难的。一个原因是电池的一致性没有办法保证。另外，电池从车里拆出来后面还能用多久，不清楚。怎么界定真正意义上的SOH。

    寿命衰减的机理，我们目前对这块的一些理解。左边的图是正常的电芯衰减循环，1C/1C Cycle，右边的图可以理解为电芯的跳水，也可以理解为电池内部已经发生了很多不可逆的负反应。为什么能量会不停的衰减？我们主要从材料还有物理化学的角度分析了一下。对于正极，在循环过程中会有不可逆的相变，还有金属离子溶出。负极，有析锂、过度石墨化、体积膨胀大、表面官能团。从物理化学角度，活力锂损失、脱嵌锂空位减少，结构不断塌陷，极化增大怎么控制。

    正极的影响，它拥有的PO4聚阴离子集团，相对于层状与晶石结构更为稳定。NCM这类层状材料更容易发生析氧，导致正极活性位点损失。此外，NCM在循环过程中反复的体积变化易导致颗粒破碎，致使循环中极化增大。

    从热力学的角度，正极主要是像析氧反应、金属溶出，正级材料本身有不可逆的相变，本身在高电压的情况下，或者高温条件下会发生一些不可逆的相变。动力学就是颗粒的破碎以及正极表面末的不断累计，造成阻抗或者极化的增大。

    负极是SEI膜的修复，还有析锂、溶出金属还原。另外钝化层的不断累计，会不会带来电池阻抗的增大。

    电解液跟正极和负极相当于一个体系。很多时候电解液选择合不合适，会带来会不会影响正极表面膜或者负极表面膜。

    针对容量的衰减，可能跟正极、负极、电解液都有关系。为此，我们做了哪些工作。目前也开展了一些新的研究方向。把活性锂通过前端工具先补充进去，来提高容量的效应。

    这个图是示意图（见PPT）。正常来说铜箔涂上石墨就结束了。在我们这个实验中，增加了一些活性锂和保护层结构。通过在电解液润湿条件下，保护层会消掉，再通过化层，把活性锂预购成SCI膜（音）。右下角的图是我们目前在实验室做的测试（见PPT），通过预锂化的工艺（音），目前做到8000多，预期可以做到10000多。目前在实验室阶段，明年进行量产化。   

    下一个是寿命优化实例。我们在正极、负极、电解液怎么把寿命进行具体的优化。

    首先是高镍正级，高镍材料的相变更严重，相对于普通的结构，622、821对温度的敏感性更高。随着温度的升高，结构也发生了很多不可逆的相变。另外通过一些调研发现，在实际上不同循环的时候，结构也是发生了很多不可逆的相变。这些都导致后续材料循环的有效性。

    另外看到正极的析氧效应，随着充放电状态的进行，析甲镍（音）的比例在不断升高，太多三甲镍和四甲镍的比例会形成析氧效果，这样反而会减少活性点。现在主要通过包覆或者搀杂的效果。

    高镍正极的微观应力问题。目前主要的厂商都是以二次颗粒为主，本身是一次颗粒通过工艺形成的，内部有微应力。最后的结构发生碎片化的效果。碎片化不断的发生，导致我跟电解液的负反应不断增大，造成后面内阻或者极化都在增大。这也是目前我们看到的高镍材料。这在523或者323也会发生，只是这种情况会更严重。

    目前我们内部在做的一些工作，是把高镍材料尽快量产化。这是我们实验室实测数据，黑色是目前在测的，现在可以做到常温2400的寿命。橘黄色是正在改进的一款材料。（见PPT）现在跑的次数不多，从循环趋势看，应该常温能做到3400以上，高温寿命可以做到1500次以上。相对于最开始的400次，已经有比较明显的改善趋势。

    硅基硅负极，从传统意义上，石墨到氧化硅、硅负极，目前产业化比较快的停留在氧化硅阶段。硅这个材料本性如此，循环的进行，膨胀率达到3%。不断膨胀造成跟电解液的负反应，包括活性锂的消耗和损失不断增大。这个图上也能看到（见PPT）。

    为什么说到主要的产业化阶段还停留在氧化硅。硅的容量非常高，4200次，膨胀的比例3%。这是很难避免的。或者说它很难通过其他手段抑制。氧化硅不一样，它的效率随着偏低，但膨胀是小的。意味着后期的循环性能会比硅更优秀一些。从目前的材料体系看，氧化硅更合适在当下这个阶段去开发。不是说硅就没有希望。从我们公司的角度，主要以氧化硅为主。

    刚才提到为什么氧化硅的循环性能会更好或者膨胀更低。因为氧化硅本身在化层时会先形成一个硅酸锂，表面上有一些硅酸的符合物。酸消化了锂，反而能更大的抑制后续循环中硅的膨胀，以致于膨胀循环效果更好。

    想要开发硅负极，必须在电解液后面提到添加剂。目前主要是FEC，它的作用是在石墨当中会预先形成一个SEI膜，SEI膜后面怎么抑制石墨或者硅负极的膨胀。这种膨胀效果改善比较小，通过目前的实验结果看，基本上没有太多改善，或者说改善效果比较小。目前的方向，希望开发一些弹性膜量比较大的添加剂。不会随着负极的膨胀破裂，导致后面石墨和电解液更多。

    我们现在粘结剂是限制硅碳材料应用的另外一个关键原材料。我们的方向主要体现在PVdF和PAA这两类。这两类的机械弹性膜量和粘结性比之前好。但PVdF共聚改性物，有些地方有帮助，有些地方没有帮助，特别是高峰这块。所以我们在不断对它进行研究。PAA主要能更好的抑制膨胀，但不太好的地方是亲水，从购买到使用以及到后面怎么除水，这块是现在要研究的东西。

    目前在硅上的研究结果，厚度的反弹已经可以做到接近石墨的反弹效果。满充状态在40%多，石墨在20%到30%，相对来说已经比较接近了。我们的循环性能。目前常温可以做到1200次左右，高温做到700次左右。

    除了提高寿命之外，还要做一些关于寿命方向的预测还有风险研究。

    塔菲尔对于寿命的开发，有一个背景。对于动力电池，动不动测试，使用要求5年、10年、8年。很多时候没有办法在实验室阶段做，等你做完这些测试，黄花菜都凉了。我们做了很多关于寿命建模的工作。

    这是我们开发的流程（见PPT），第一阶段是做容量衰减机理分析，从正极、负极、电解液不同的角度做。通过基本的数据机理研究，带到DOE测试，考虑不同的影响因子，包括温度、不同是使用的DOD或者倍率或者Cycle number，或者实际过程中是三天充一次电，还是两天充一次电，一天用多少电。通过这样数据构建模型，然后进行寿命模型的验证，这个验证时间周期比较长，因为要针对不同的体系和使用工况，以及后面要针对模型做离散性的分析和研究。

    活性锂，容量减少，旧的活性锂衰减，正极、负极、电解液在其中都扮演很大的角色。不同的体系扮演的决策不一样。有的可能扮演负极在衰减，但正极不会发生变化。三元可能正极、负极、电解液都要放入重点去考虑。

    这是我们构建的磷酸铁锂模型对实际数据的拟合。模型是构件出来了，跟实验室的数据也能完全拟合，但它到底有什么用。

    模型最大的作用一个是预测，还有一个是怎么样把实际工况中的数据实时测试出来。

    这是我们当时给迪拜客户做的数据（见PPT），蓝色跟下面紫色，90%跟87.58%这两个点是目前实测的数据，后面延展下来的是我们预测的数据。中间红色是根据迪拜当地温度进行计算的结果。基于模型的计算，可以算到在真正存储十年之后的结果到底是怎么样的，还有一个是Cycle Life，要做5000周，而且结合当地的使用条件，环境温度的波动，不可能在实验室做到这个程度。我现在唯有结合模型做不同温度波动做的说明预测。右方中间红色线也是针对迪拜2017年温度波动做的寿命预测。这是电芯层次。

    目前我们用模型来做的另外一个工作是验证失效率。电芯出厂时有容量分布、电压分布，但不是每一个电芯的寿命都是一样的。基于这个模型，可以通过一个计算得到磷酸铁锂体系的电池在实际使用过程中，它到10年跟20年之后，在容量分离了70%或者分离了80%之后真实容量的分布是怎么样的。从而得到在使用10年或者20年之后，可能有一些电芯衰减得更快一些。以标准的80%来说，可能有些衰减到78%或者89%或者80%到83%。我们怎么界定失效率，这是可以通过模型得到的结果。谢谢大家！

(根据现场发言整理，未经本人审核)