观察 | 高电压电池技术未来发展会是怎样的?

29 07月 2021

2021-07-29 08:32

高电压是近来比较热门的电池技术。今年上海车展上，几何汽车全新改款车型几何A Pro正式上市，首次搭载了镍55新型NCM523电池，拥有183Wh/kg高能量密度。此前，吉利已经基于高电压镍55电池技术推出了几何C。除此之外，吉利今年重点推出的极氪001，也是采用NCM523高电压技术。

今年3月，动力电池新势力领湃新能源也发布了一款高电压中镍VDA355电池产品，能量密度达240Wh/kg以上。模组结构件采用轻量化设计、采集线集成化设计等技术，使其能量密度超过222Wh/kg，可满足目前主流的500-600公里长续航车型要求。据悉，目前该产品已经完成了阶段性试制和验证，并将于今年量产。

此外，去年欣旺达对外发布“不起火”电池包，其电芯也是5系的高电压三元材料镍5X。同时，瑞浦能源也推出了高电压4.35V Ni55+石墨体系产品，相关产品电芯能量密度已做到245Wh/kg，且开始批量装车应用。

近期，中航锂电在其微信公号也披露了其高电压相关技术。中航锂电称，2018年底公司的5系高电压产品成功实现市场端应用推广。到2020年，其能量密度已高达260wh/kg，并实现高安全不起火、长寿命不衰减、全气候适应性，且兼具成本优势。此外，公司目前已经完成了下一代6系高电压技术的开发，产品能量密度达到280Wh/kg。

中航锂电提到，高电压技术在产品端的真正应用面临两大核心技术问题：(1)由于要耐受更高的电压，三元材料自身体相结构和界面保护需要做到精细化设计以对抗高电压下的结构劣化和界面副反应；(2)材料在低温和低SOC条件下的动力输出能力较差，影响整车的客户体验。

图1锂离子电池工作原理示意图

中航锂电称，针对上述两大核心问题，公司团队深入机理分析，通过精准根因定位，联合项目攻关，实现了一系列核心技术突破：

(1)体相原子层级均匀掺杂技术构筑内部高速、稳定Li+扩散通道：对于高电压三元正极，Li离子在体相的嵌入-脱出需要克服一定的能量势垒实现更长的传输距离，低温或者低SOC下，该势垒增加显著。同时，在后续反复的充放电使用过程中，正极体相由于结构不稳定局部相变会进一步加剧Li+传输阻力。针对该问题，通过层间原子层级的元素掺杂，一方面拓宽Li+传输通道，有效提升Li+扩散速率，另一方面，增强氧键合能力，提高结构强度，显著抑制过程中结构相变的发生，进而在对于高电压三元正极内部实现了高速、稳定Li+扩散通道的构筑。

(2)界面靶向多元素协同包覆技术，实现高导锂、“低”氧化活性双重功效：高电压条件下，正极界面长期处于高氧化状态，催化氧化电解液溶剂分解进而引发电解质分解、HF酸产生、新鲜界面暴露、加剧分解等一系列链式反应，加剧性能的劣化。特别是高温条件下，正极界面与电解液的交互反应更加剧烈。如何在实现“低”氧化活性同时保证界面高导锂特性是解决问题的核心也是行业难点。通过不断的技术攻关，在界面均质形成快离子导体同时针对高电子反应活性的位点进行诱导靶向包覆钝化元素实现了“低”氧化活性和高导锂两大功能的完美兼顾。该技术的开发在显著提升高电压化学体系高温寿命的同时实现了动力输出能力的大幅提升；

(3)高效钝化电解液添加剂设计技术，原位构建正极界面纳米防护层，协同界面包覆技术，使得界面氧化活性由“低”降“零”，彻底突破了高电压化学体系高温寿命的行业瓶颈：如上所述，高电压和高温条件下，正极界面和电解液的链式反应是高电压化学体系高温寿命失效的原因。通过高效钝化正极成膜添加剂的设计，在正极材料界面原位可控催化形成纳米CEI膜，不影响动力输出同时彻底解决高电压正极界面活性问题。