高比能电池研发

一、项目背景

大力发展电动汽车，是新能源产业的重点。在寻找新能源的过程中，锂离子动力电池作为新一代的清洁环保能源越来越受到重视。然而，到目前为止，动力型锂离子电池的能量密度为70~100Wh/kg左右，功率密度为800~1500W/kg，使用寿命为6—8年，制约电动汽车商业化普及。

从电动汽车应用的要求看，锂离子动力电池在产品设计、一致性、安全与可靠性、成本、应用研究、尤其是能量密度等方面还需进行大量的研发。开展高比能电动汽车用锂离子动力电池及其配套材料产业技术的研究，致力于形成车用配套动力电池产品系列，对于推动我国电动车产业的发展具有重要的战略意义。

二、研究内容

本课题联合国内相关材料研究与产业化的优势力量，以“十五”以来在车用锂离子动力电池方面形成的技术为基础，结合先进的电池制造技术，瞄准电动汽车的研究和产业发展的要求，以形成富锂化合物为正极、硅/碳复合物为负极的高能量密度锂离子动力电池成套产业技术体系和产品系列为目标，围绕生产技术、产品设计和质量控制等问题，突破电池一致性、安全与可靠性、成本和在电动汽车上的应用等关键技术，主要研究内容包括：

1.锂离子动力电池正极材料的产业技术：采用湿化学结合高温固相反应法制备高性能富锂化合物，研究包覆层的设计及Li+吸收剂的选择，考察其对不可逆容量以及对电极材料稳定性的影响，Li+吸收剂与富锂材料协同作用脱嵌Li+行为机理，合成过程工艺参数的优化、反应过程控制，形成自主知识产权的制备技术。

2.锂离子动力电池负极材料的产业技术：采用低温还原技术制备硅/碳复合材料，研究氧化亚锰的颗粒大小及内嵌形貌的要控制备，优化合成过程工艺参数；形成自主知识产权负极材料产业化技术。

3.以富锂化合物为正极，氧化亚锰/碳复合材料为负极的锂离子动力电池产业技术：采用自动化生产装备和先进的工艺流程，突破关键工艺技术，形成锂离子动力电池成套生产工艺技术；优化制造过程中各工艺参数，提高电池的性能和寿命，降低成本；研究工艺过程控制，形成工艺控制与技术规范、产品设计和质量-标准；产品性能一致性研究。

4.锂离子动力电池模块、系统评价与试验研究：采用ARC（加速量热分析法）分析评价影响电池及材料的安全性化学因素；重点研究标准模块和系统的安全评价方法，提出系统安全检测标准；完善单体电池使用寿命的预测方法，研究电池模块、系统的性能评价与寿命预测方法。

5.复合多孔电极材料结构性能演变规律：采用同步辐射X射线纳米CT，原位观察电池工作状态下电极材料结构性能演变过程，研究变温状态下多孔电极结构性能关系，揭示多孔电极老化机理，得到多孔电极三维结构的参数，如孔隙率、曲折因子和孔径尺寸等；分析微纳尺度多孔电极结构参数对电池性能的影响，系统研究多孔电极的动力学性质、循环性、安全性、储锂容量、效率等，指导高功率锂动力电池多孔电极的设计。

课题预期目标是完善以富锂化合物为正极，硅/碳复合材料为负极的锂离子动力电池的制备，形成能量密度大于240wh/kg,寿命大于800次的新型锂离子动力电池。

三、国内外研究现状

近年来，国内新型锂离子动力电池研发主要集中在以下几个方面：高容量锰基固熔体、镍基层状材料制备及应用；硅基、锡基合金负极制备及应用；电池设计及安全新技术。

高容量锰基固熔体：采用高容量锰基固熔体，电池能量密度有望较目前商品化的钴酸锂、锰酸锂及磷酸铁锂大幅度提高。问题：循环寿命倍率性能-电压滞后-振实密度低。8高容量镍基层状材料：掺杂钴铝的镍基层状材料，具有较高的比容量（约180mAh/g）及良好的循环稳定性。问题：工业化制备困难。合金化负极：采用硅、锡等合金化材料，负极材料的比容量有望较目前商品化的炭负极成倍提高。问题：体积变化→粉化→容量快速衰减。

四、技术优势

1.本项目研究和专利分析

本课题以形成高比能锂离子动力电池产品为主要目标，以前期研究工作与技术成果为基础，研究团队在本课题研究技术方面已申请了大量的专利。在锂离子动力电池制备、安全性及电极材料方面，具有30余项专利，其中授权发明专利20项。

从专利申请和授权情况上看，目前围绕锂离子动力电池研究技术国内外已有较多的专利。由于新型高比能锂离子动力电池尚处于研发阶段，在正、负极新结构与新工艺、电池设计与安全性新工艺、新型材料方面专利并不多见，具有很大的发展空间。

根据上述计算曲线获得实现目标比能量值时，电池对正负极比容量的最低要求目标比能量大于250wh/kg,（假设电压为3.6伏，比容量单位mAh/g）

2.技术优势

通过控制合成，成功地研制出表面具有开放结构的锰基固熔体纳米片，6C倍率下可逆容量达到197mAh/g，为控制合成高容量正极材料提供了新思路。首次不可逆容量损失仅为48mAh/g；0.2C时，循环20次后容量高达250mAh/g；在2C时，可逆容量高达210mAh/g，为高容量正极材料的开发及工程化制备提供了坚实的基础。

高容量硅基负极：硅碳复合材料首次比容量为652mAh/g，循环40周容量保持率为93%。为高容量硅基负极的开发及工程化技术提供了坚9实基础。

锡基合金负极：锡锑钴合金负极首次充放电效率为80%，循环300周容量为560mAh/g，为高容量锡基负极的开发奠定了基础。

五、技术指标

所开发目标及电池主要技术指标：

以电动汽车技术中长期发展需求为导向，探索新型电极材料的制备与应用，发展高比能锂离子动力电池设计的新原理和新方法，突破关键材料及电池的制备技术。

容量规格（Ah）20

功率密度（W/kg）≥800

能量密度（Wh/kg）≥250

使用温度范围（℃）-25～60

荷电保持能力

≥90％

（常温下搁置28天）

安全性通过行标或规范要求

电池循环寿命≥800次

六、合作方式

联合开发，技术转让。