11月12日,在2015年第3屆中國(guó)(武漢)鋰電新能源產(chǎn)業(yè)國(guó)際高峰論壇(ABEC 2015,鋰電“達(dá)沃斯”)上,臺(tái)灣中鋼碳素化學(xué)股份有限公司陳韋志博士發(fā)表了題為《中間相負(fù)極材料于動(dòng)力電池之應(yīng)用》的演講報(bào)告,以下是演講報(bào)告實(shí)錄:
各位嘉賓大家下午好!首先感謝主辦單位的邀請(qǐng),讓我們有機(jī)會(huì)來武漢這個(gè)論壇發(fā)表演講。我是來自臺(tái)灣中鋼碳素。公司是研發(fā)以及生產(chǎn)中間相負(fù)極材料,今天的演講主題就以“中間相負(fù)極材料于動(dòng)力電池應(yīng)用”來跟大家做一個(gè)報(bào)告。
首先介紹一下我們公司,中鋼碳素,CSCC,中鋼碳素在臺(tái)灣是屬于中鋼集團(tuán)的成員之一,公司在1989年成立,在1996年正式啟動(dòng)中間相這個(gè)項(xiàng)目,在2002年我們中間相正式量產(chǎn),到現(xiàn)在十幾年的時(shí)間。在2013年我們獲得了ISOTS16949的認(rèn)證。在去年我們?cè)诔V莩闪⑽覀兊淖庸荆瑸閲?guó)內(nèi)的客戶來服務(wù)。
我們母公司中鋼CSC,在臺(tái)灣是最大的供應(yīng)商,研發(fā)人員300位以上,員工超過9000人。
負(fù)極材料生產(chǎn)流程,經(jīng)過一連串的熱處理,萃取、干燥等等過程,會(huì)有GP,它是負(fù)極材料的前軀體。在產(chǎn)能上,一開始提到我們公司是在2002年正式量產(chǎn),那時(shí)候產(chǎn)能比較小,經(jīng)過十年來的努力,在2013年產(chǎn)能已經(jīng)擴(kuò)充到5000噸,預(yù)計(jì)在2017年提升到7500噸。我們的產(chǎn)線都是全自動(dòng)化線,所有生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量,以及一致性都非常好。
我們?cè)诮K常州市成立了子公司,這個(gè)公司就完完全全是為了來服務(wù)國(guó)內(nèi)的客戶,在去年已經(jīng)開始正式量產(chǎn)。
接著簡(jiǎn)單說明鋰電池以及負(fù)極材料的市場(chǎng)需求。這份調(diào)研是日本調(diào)研的,鋰電池這幾年的需求一直在增長(zhǎng),最大的部分還是在LIB這塊,EV這塊跟LIB來比差很多,但是它的增長(zhǎng)還是非常驚人的,這三年有40%以上的增長(zhǎng)。
隨著這幾年鋰電池市場(chǎng)需求的增長(zhǎng),負(fù)極材料它的需求也是逐年地增加。整體的需求量以負(fù)極來看,今年比去年成長(zhǎng)32%以上,中間相今年占了13%,將近一萬噸。我們樂觀預(yù)估,明年數(shù)量會(huì)比這還高。
接著介紹一下我們負(fù)極材料,這是高倍率的負(fù)極材料,以及跟各位分享一下我們客戶測(cè)試的一些回饋。在產(chǎn)品上,剛才提到從前軀體開始就是我們的產(chǎn)品,碳化之后也會(huì)有軟碳,石墨化之后,也會(huì)有我們的石墨化產(chǎn)品,下面這一塊SMGP,F(xiàn)MGP,MG11,這是我們高倍率的產(chǎn)品,所以我們產(chǎn)品從前軀體開始,包括高容量的,高倍率的,我們都有不同的產(chǎn)品給客戶不同需求上的應(yīng)用。
在產(chǎn)品的升級(jí)上,像FMGP,預(yù)計(jì)是10微米,容量320克電容量。但是這幾年,我們已經(jīng)往上提升了,容量已經(jīng)提升到350克電容量,甚至已經(jīng)往上提升到360,所以容量是非常高,所以非常適合在動(dòng)力電池上應(yīng)用。
在正式介紹我們產(chǎn)品之前,先來跟各位解釋一下什么是中間相的材料,有哪幾種特性?首先就是配向性,這份報(bào)告是日本的,負(fù)極材料是他們所做的一個(gè)研究。這個(gè)強(qiáng)度比,我們看到0.2跟110測(cè)出來的比,這個(gè)是要越低越好,從他們研究結(jié)果來看,MCMB它在中間相是最好的,它鋰離子擴(kuò)散比較容易。
從示意圖簡(jiǎn)單說明一下什么叫配向性?它從上面這個(gè)方向進(jìn)來,因?yàn)椴皇撬耐ǖ,所以比較會(huì)沉積的問題,鋰離子它可以從不同的方向進(jìn)出,必須不會(huì)有鋰沉積。所以我們客戶在用天然石墨的時(shí)候,都會(huì)添加中間相。
我們也做了不同材料的配向性的測(cè)試,在這里以1004/1110,大家可以看一下,從結(jié)果看得出來地配向性確實(shí)是中間相材料一個(gè)獨(dú)到的地方。大家看左上角這個(gè)圖,它是人造石墨,它的材料已經(jīng)變形,幾百個(gè)孔隙度已經(jīng)沒有了。左下這個(gè)圖是我們中間相,還是會(huì)很清楚地看到每顆的負(fù)極材料都保持它原來的特性,空隙度很高,右下角是加入中間相,可以看到完整的球體,如果是看不出來形狀,那就是天然石墨。
為什么我們的材料不會(huì)變形?我們看它CrossSection,右邊是天然石墨,有很多空隙,一壓的時(shí)候就變形了。
接著看一下MG11系列,這是我們高倍率的產(chǎn)品,這個(gè)D50只有10到11um,F(xiàn)MGP是早期的倍率型產(chǎn)品,容量只有330,現(xiàn)在我們MG11系列,不管是MG11A,MG11N,容量都提到350以上。
看它的形態(tài),MG11A、MG11N都是球體。同樣的,我們看結(jié)構(gòu),中間相它也是實(shí)心的結(jié)構(gòu),所以再壓它不會(huì)變形,AG1它是有空隙在。
我們也有用18650這個(gè)測(cè)試平臺(tái)來看一下倍率,這里比較的是FMGP跟MG11A,F(xiàn)MGP是早期的產(chǎn)品,是330,MG11A容量已經(jīng)提升到350,但是在倍率上并沒有打折扣。
接著跟各位分享一下我們客戶的測(cè)試以及應(yīng)用的狀況,第一個(gè)例子就是PHEV,在5C放電下,我們還維持在98%,日本的大概90%,所以在5C放電,我們高出了8%。但是在7C的放電,我們還維持在95%,但是日本人造石墨只剩下74%,所以在7C放電下我們高出日本材料高出20%,所以是非常獨(dú)特的。
另外低溫特性,不管是零下30度還是零下20度,我們材料放電能力都是比日本的人造石墨好。除了低溫特性之外,高溫性能也是,這里是測(cè)60度的儲(chǔ)存,包括在維持能力,我們MG11A都比人造石墨好。當(dāng)然最重要的還是在循環(huán)性能上,現(xiàn)在跑到700多循環(huán),我們材料能維持在98%,日本剩下92%,所以這個(gè)趨勢(shì)來看,我們材料要跑到3000多循環(huán)是沒有問題的。但是在日本材料這個(gè),可能1500次。
另外一個(gè)應(yīng)用,EV,這是歐洲的客戶,它測(cè)試FMGP,從測(cè)試結(jié)果來看,全充全放還有7400次的循環(huán),循環(huán)性能非常好。如果是高倍率,2C充放電也還大于4000次的循環(huán)以上。
第三個(gè),應(yīng)用歷程,啟動(dòng)電瓶,我們知道最重要的特性是低溫的啟動(dòng),客戶用MG11A,測(cè)試結(jié)果完全符合歐洲的規(guī)范。另外是儲(chǔ)能,ESS應(yīng)用,這是在北方的儲(chǔ)能要求,低溫要求非常高,要在零下40度,客戶測(cè)試在18650電池,2.6Ah,1.5C放電還可以有90%,所以我們低溫系統(tǒng)是相當(dāng)好。
另外一個(gè)特點(diǎn),在這邊也要跟大家特別說明一下,我們材料抗PC電解液的特性,我們做電池都知道PC電解液它的低溫效果特別好,主要原因就是PC它的熔點(diǎn)是零下48度,沸點(diǎn)也很高,將近240,所以PC電解液它的溫度范圍是非常廣。
但是并不是每種材料都有辦法使用PC電解液,從這個(gè)示意圖來看,當(dāng)鋰離子要潛入到石墨層的時(shí)候,它會(huì)把石墨間距撐開的,所以材料沒有PC的話,就會(huì)像這個(gè)圖,一層一層被剝開,當(dāng)負(fù)極材料已經(jīng)剝開到這個(gè)層程度的時(shí)候,電池就沒辦法使用。
如何來判斷材料、負(fù)極材料有沒有這些特性,可以從材料的效率來看,F(xiàn)MGP,MG11,MGP等等都是我們的產(chǎn)品,跟人造石墨做比較,如果在沒有PC電解液的情況下,效率都很高,但是我們的耐PC效率是相當(dāng)好的,能夠達(dá)到80%多,我們的材料在抗PC特性上是有相當(dāng)好的特性。
從充放電曲線,沒有PC的電解液跟有PC的電解液在充放電情況下是一樣的,所以并不受PC的影響。這是我們?nèi)毡究蛻魷y(cè)試我們材料給我們的回饋,我們的MG11A,我們中間相抗PC性能是特別好的。PC電解液對(duì)性能有什么影響?用MG11A,大家可以看一下這個(gè)圖,確實(shí)PC電解液對(duì)低溫性能是有明顯幫助的。
最后做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié),我們要設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)力電池所要考量的幾個(gè)特點(diǎn),無外乎是電能量,循環(huán)壽命,倍率性,還有低溫特性。在倍率上,我們有信心我們是最高的,倍率我們已經(jīng)達(dá)到350克電容量,循環(huán)7000次以上,低溫特性,負(fù)40度放電,符合歐洲的規(guī)范。
我的報(bào)告到這里,謝謝各位!
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