【導(dǎo)讀】上周有個(gè)新聞“科學(xué)家開(kāi)發(fā)薄片式電池 讓汽車充電一次開(kāi)1000公里”，報(bào)道了采用雙極性電極的電池將可以實(shí)現(xiàn)1000公里的續(xù)駛里程，1000這個(gè)數(shù)字的確太吸引眼球了。我們來(lái)看一下這個(gè)新聞背后的EMBATT項(xiàng)目，看一下實(shí)現(xiàn)1000公里的技術(shù)概念是什么樣子的。
如今，電池儼然成為了決定電動(dòng)車未來(lái)的核心部件，這也不難理解那么多的電池制造商在電池技術(shù)上絞盡腦汁、期望有所重大突破，并且制定各種野心勃勃發(fā)展目標(biāo)，例如：將電池系統(tǒng)的能量密度從250Wh/L左右提升到500Wh/L、同時(shí)大幅度降低生產(chǎn)成本。一方面，電池材料需要進(jìn)一步優(yōu)化，提高電池能量密度，另一方面，電池空間體利用需要提高、減小有限空間內(nèi)的非活性材料。現(xiàn)有的電池封裝package方式造成了大量的體積被非電池活性材料占據(jù)，無(wú)法充分利用有限的電池空間。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)， IAV公司與 Thyssenkrupp AG和Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems(IKTS)一起合作開(kāi)發(fā)汽車底盤(pán)電池集成項(xiàng)目( EMBATT：chassis-embedded energy)，直接將電池嵌入到汽車底盤(pán)，大幅度減少電池本身的結(jié)構(gòu)件所占據(jù)的體積，達(dá)到提高能量密度Wh/L的目標(biāo)。EMBATT概念的中心思想是采用雙極性bipolar鋰離子電池。在這個(gè)合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，IAV主要負(fù)責(zé)車輛開(kāi)發(fā)，包括車輛概念、測(cè)量安全、電池布局和設(shè)計(jì)、控制軟件標(biāo)定。IKTS主要負(fù)責(zé)定制化電池材料和電極的制造加工技術(shù)。Thyssenkrupp AG主要負(fù)責(zé)后期的電池生產(chǎn)。
基于EMBATT概念的雙極性電池主要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：
·大幅度降低系統(tǒng)復(fù)雜性，電池系統(tǒng)能量密度提高到500Wh/L
·降低內(nèi)阻，減少冷卻的需求
·使用更少的零部件，制造成本可以降低
·符合車輛安全要求
·采用先進(jìn)電池材料，進(jìn)一步提高能量密度
現(xiàn)在的鋰離子電池將電極進(jìn)行卷繞或疊片后放入殼體內(nèi)(圓柱形、方形、或軟包)，然后再跟其他結(jié)構(gòu)件、電子器件、管理單元集成到電池系統(tǒng)那個(gè)內(nèi)。從單體電池到電池系統(tǒng)，由于大量非活性物質(zhì)(結(jié)構(gòu)件，電子元器件、線束等)的存在，能量密度損失高達(dá)40-60%左右(甚至更高)，目前電池系統(tǒng)能量密度大致在120-300Wh/L(這里不是Wh/kg)。
EMBATT項(xiàng)目的電池開(kāi)發(fā)目標(biāo)旨在打破傳統(tǒng)的電芯和模塊的界限，將雙極性電極制備的電池集成到底盤(pán)，并根據(jù)封裝的尺寸不同，可以實(shí)現(xiàn)850-1200V的大型電池電壓配置(大約2平方米左右的電池)，從而使得1000公里的續(xù)駛里程成為可能。這個(gè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的挑戰(zhàn)之一是如何生產(chǎn)雙極性電極，因?yàn)檫@要求在電極的兩側(cè)涂敷上正極和負(fù)極兩種不同的材料，最小電池單元的厚度大約在300微米，這是一個(gè)比較復(fù)雜的制備過(guò)程。電池的機(jī)械穩(wěn)定性通過(guò)內(nèi)外部的支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。除了這些電池結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)之外，另一個(gè)重點(diǎn)是要采用高效率的電池材料。EMBATT項(xiàng)目在負(fù)極材料上目前選擇了鈦酸鋰LTO，正極選擇了鎳錳酸鋰LNMO，單體電池的電壓在3.2V左右(選擇其他材料也可以，但是電壓會(huì)低一點(diǎn))，下一步重要的材料是選擇合適的電解液，從傳統(tǒng)的液態(tài)電解液到固態(tài)電解質(zhì)都在考查范圍內(nèi)，長(zhǎng)遠(yuǎn)看，全固態(tài)電解質(zhì)會(huì)成為最終選擇，隔膜可選方案之一是陶瓷隔膜，這有助于將固態(tài)電解質(zhì)的方案和隔膜集成在一起。EMBATT項(xiàng)目中的雙極性電極是在集流體的兩側(cè)分別涂敷LTO作負(fù)極、LNMO作正極(其他正極材料也可以)。先用激光切割對(duì)雙極性電極進(jìn)行第一次預(yù)沖切，然后在進(jìn)行二次沖切得到最終電極尺寸。然后采用疊片方式將雙極性電極片堆疊起來(lái)，形成電池單元之間的串聯(lián)。根據(jù)項(xiàng)目的研究進(jìn)度，基于EMBATT概念的1000公里電動(dòng)車預(yù)計(jì)在2025年發(fā)布。
根據(jù)IKTS的介紹，EMBATT項(xiàng)目的概念來(lái)源于固體氧化物燃料電池SOFC的電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目中，IKTS主要承擔(dān)：電池單元的設(shè)計(jì)概念研究；開(kāi)發(fā)/優(yōu)化電池活性材料、以及陶瓷隔膜和電解液；電池單元的制造工藝開(kāi)發(fā)。
目前，IKTS和合作機(jī)構(gòu)已經(jīng)完成了EMBATT1.0和EMBATT2.0的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。1.0和2.0相比，最主要的變化在于正極材料從1.0項(xiàng)目中的NCM或LFP升級(jí)到LNMO，采用了進(jìn)行金屬元素?fù)诫s的尖晶石錳酸鋰，提高了上限電壓。隔膜、液態(tài)電解質(zhì)升級(jí)到了全固態(tài)電解質(zhì)，這將更加有利于電池單元的生產(chǎn)。1.0和2.0的能量密度分別為200Wh/L和450Wh/L，這和當(dāng)前動(dòng)力電池單體的能量密度相比并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，可能將來(lái)在電池系統(tǒng)上具備一定優(yōu)勢(shì)，但是目前由于還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)將雙極性電極制備的電池嵌入到底盤(pán)上，所以電池系統(tǒng)級(jí)別的能量密度優(yōu)勢(shì)究竟有多大還不清楚。因此在EMBATT 3.0上，負(fù)極作了很大變更，采用了金屬鋰作負(fù)極，并且采用了玻璃陶瓷全固態(tài)電解質(zhì)，集流體也不再局限于鋁(目前還不清楚具體集流體的材質(zhì))，通過(guò)這些優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)800Wh/L的能量密度目標(biāo)。
在制造工藝方面，1.0和2.0的制造工藝與現(xiàn)行的鋰離子電池制造工藝沒(méi)有明顯區(qū)別，在3.0上，由于采用全固態(tài)玻璃陶瓷電解液，因此電極和電解質(zhì)的裝配可以在同一步驟完成，省卻了后面的注液環(huán)節(jié)，但是后續(xù)增加了熱處理環(huán)節(jié)，主要是為了讓電極和固態(tài)電解質(zhì)界面更好的接觸。這3.0項(xiàng)目上，全固態(tài)電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)、電解質(zhì)與電極界面兼容性問(wèn)題是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，這與一般的固態(tài)電池的研究課題是一致的。
總的來(lái)說(shuō)，EMBATT的最大特點(diǎn)并非它的材料創(chuàng)新，因?yàn)檫@些材料的研究和創(chuàng)新一直都是鋰離子電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，EMBATT有意思的地方是將雙極性電極制備的電池直接集成到汽車底盤(pán)的概念，以及由此概念引申出來(lái)的在制造加工方面的工藝改進(jìn)。有趣的是，在今年的上海車展上，汽車零部件供應(yīng)商-本特勒提出了自主設(shè)計(jì)研發(fā)的新能源汽車底盤(pán)系統(tǒng)，該底盤(pán)系統(tǒng)的目標(biāo)之一也是要實(shí)現(xiàn)底盤(pán)集成或模塊化整合，電池也是被考慮集成到底盤(pán)的零部件之一。另外，在今年的第九屆全球汽車產(chǎn)業(yè)峰會(huì)上，類似的電動(dòng)化底盤(pán)平臺(tái)同樣被多次強(qiáng)調(diào)。由此可見(jiàn)，這種平臺(tái)化底盤(pán)會(huì)成為電動(dòng)汽車發(fā)展的趨勢(shì)。
聯(lián)想到我們國(guó)家2016年發(fā)布的電動(dòng)車技術(shù)路線中，純電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的能量密度目標(biāo)是500Wh/L(2025年)、700Wh/L(2030年)，或許，采用底盤(pán)嵌入式電池技術(shù)很可能是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑之一。
聊一下EMBATT里面的提到的雙極性電極bipolar electrode。雙極性電極的概念由來(lái)已久，在鋰離子電池上的應(yīng)用也很久了，單是一直沒(méi)有被大規(guī)模應(yīng)用。
下圖對(duì)比了傳統(tǒng)鋰離子電池(a圖)和雙極性鋰電池(b圖，這里是以金屬鋰和全固態(tài)為例)。a圖中，每個(gè)電池單元unit cell包括了正極(一般涂覆在Al基材)、負(fù)極(一般涂覆在Cu基材)；b圖中，每個(gè)電池單元unit cell同樣包括了正極、負(fù)極，但是正極、負(fù)極活性材料共用一個(gè)基材：當(dāng)兩個(gè)電池單元串聯(lián)起來(lái)時(shí)，雙極性電極的一側(cè)在當(dāng)前單元電池作為負(fù)極，另一側(cè)在相鄰單元電池中是作為正極。
雙極性電極的研究早在二、三十年以前就已經(jīng)出現(xiàn)。例如在20實(shí)際九十年代，美國(guó)雅迪尼(Yardney)技術(shù)公司就對(duì)雙極鋰離子電池展開(kāi)了研究。雙極性電池設(shè)計(jì)可以將單元電池cell-stack中相鄰cell之間的電阻最小化，使得每個(gè)雙極性cell種的正負(fù)極活性涂層表面上的電流和電勢(shì)達(dá)到更加均勻的分布，因此，采用雙極性cell構(gòu)成的電池具有更高的功率特性。下圖Fig1是一個(gè)典型的由多個(gè)雙極性電池單元構(gòu)成的雙極性鋰離子電池截面圖，F(xiàn)ig2是提取出來(lái)的其中一個(gè)雙極性電池單元。其中，12a、12b，…，12n是電池單元；14a、14b，…，14n是電池單元的正極側(cè)；16a、16b，…，16n是電池單元的負(fù)極側(cè)；18a、18b，…，18n隔膜；20b、20c，…，20n是集流體(例如，F(xiàn)ig2中的14a和16b共用一個(gè)集流體)，集流體可采用雙金屬基材，例如，Cu-Al雙金屬，負(fù)極活性物質(zhì)涂敷在Cu側(cè)，正極活性物質(zhì)涂敷在Al側(cè)；24是負(fù)極活性物質(zhì)，26是正極活性物質(zhì)；28a、28b，…，28n是絕緣性連接固定結(jié)構(gòu)，每個(gè)雙極性電極通過(guò)該連接結(jié)構(gòu)固定起來(lái)。在Fig1和Fig2中，一共有n-1個(gè)雙極性電極(集流體兩側(cè)分別有正極、負(fù)極活性物質(zhì))，最上層20a只有負(fù)極一側(cè)，另一側(cè)跟負(fù)極極柱29相連，最下層20n+1只有正極一側(cè)，另一側(cè)跟正極極柱29相連。
下圖Fig3是雙極性電極的堆疊stack，可以稱之為電堆40。其中，32是隔膜；34是集流體；36是雙極性電極，兩側(cè)分別是正負(fù)極活性物質(zhì)。基本結(jié)構(gòu)與上面的示例是一樣的。
下圖是含有三個(gè)雙極性電極的CR2032鈕扣電池。正極是LFP，負(fù)極是金屬鋰，采用準(zhǔn)固態(tài)聚合物電解質(zhì)和不銹鋼集流體。從電壓曲線可以看到，只要改變雙極性電極的unit數(shù)量，就能改變電池的電壓，這里給的分別是1unit、2units、3units的電壓曲線。例如，很容易通過(guò)5個(gè)雙極性的unit實(shí)現(xiàn)一個(gè)12V的鋰離子電池，下圖右側(cè)是日本東芝公司的一個(gè)12V雙極性電池的部分截面圖，從表1的參數(shù)中可以看到，這里正極材料是LiMn0.85Fe0.1Mg0.05PO4，負(fù)極材料是LTO，集流體是Al，固態(tài)電解質(zhì)電解質(zhì)是Li7La3Zr2O12(LLZ)和PAN。從封裝方式來(lái)看，疊片式軟包裝是比較適合雙極性電池的一種方式。
從上面的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)來(lái)看，采用雙極性電極結(jié)構(gòu)，很容易就可以實(shí)現(xiàn)電池的高壓，這比通過(guò)將多個(gè)電池串聯(lián)起來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓的方法要更加高效：減少了電池的無(wú)效配裝空間、降低了連接電阻。相比較如今在開(kāi)發(fā)高電壓正極材料上的緩慢進(jìn)展，雙極性電極不失為一種可能的更加快捷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電池高電壓輸出。當(dāng)然，正如在前面(一)所說(shuō)的那樣，真正的實(shí)際應(yīng)用還需要解決很多生產(chǎn)制造上的問(wèn)題。
