國泰華榮化工新材料甘朝倫：下一代電解液/質(zhì)研發(fā)方向是提升電池材料體系的安全性
撰稿丨采編部
編輯丨麥 子
美編丨CBEA獨耀
為滿足車用續(xù)航、充電、循環(huán)、安全等性能需求，動力電池能量密度正向300Wh/kg邁進(jìn)，接下來5到10年還會向400Wh/kg、500Wh/kg甚至更高層次邁進(jìn)。作為電池材料的四大主材之一，電解液的技術(shù)研發(fā)和布局也正積極推進(jìn)。
▲圖為張家港市國泰華榮化工新材料有限公司副總經(jīng)理甘朝倫發(fā)表主題演講
日前，“第二屆新能源汽車及動力電池（CIBF2021深圳）國際交流會”在深圳舉行，在風(fēng)帆有限責(zé)任公司冠名的“軟包電池核心材料及先進(jìn)技術(shù)突破”專場論壇上，張家港市國泰華榮化工新材料有限公司副總經(jīng)理甘朝倫在“下一代電解液技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用”的主題演講中，詳細(xì)分析介紹了公司在高鎳NCM/硅負(fù)極電解液、固態(tài)電解質(zhì)、鋰硫電池電解液等下一代電池電解液/電解質(zhì)技術(shù)研發(fā)上的布局與研發(fā)進(jìn)展。
電解液作為電池的四大主材之一，本身并不提供能量，但它的功能卻非常重要，必不可少。在現(xiàn)有液態(tài)電池中，正負(fù)極的容量/能量要發(fā)揮出來離不開電解液。
甘朝倫表示，從提升電池能量密度角度來看，未來10年，電池能量密度有望從300Wh/kg提升到500Wh/kg。“現(xiàn)在電池企業(yè)在300Wh/kg能量密度解決方案上多是采用鎳含量高于80%的高鎳正極材料，搭配上含硅的負(fù)極材料；或是采用高電壓NCM搭配硅負(fù)極材料。下一步，如果將能量密度提升至400Wh/kg、500Wh/kg甚至更高，則需要向鋰硫電池、鋰空氣電池、固態(tài)電池等方向發(fā)展。”
甘朝倫指出，隨著電池能量密度和技術(shù)的提升，電解液的發(fā)展方向也將由液態(tài)向半固態(tài)/全固態(tài)方向發(fā)展，主要目的是提升整個電池材料體系的安全性，以及未來與金屬鋰負(fù)極的適配性。
基于相對清晰的電池技術(shù)發(fā)展趨勢和路線，甘朝倫主要介紹了國泰華榮化工新材料公司在高鎳NCM和硅負(fù)極電解液、固態(tài)電解質(zhì)、鋰硫電解液等方面的研發(fā)思路及進(jìn)展。
高鎳NCM和硅負(fù)極電解液方面，據(jù)甘朝倫介紹，高鎳體系電池在滿電狀態(tài)時，鎳會氧化到+4價，+4價的鎳會跟電解液發(fā)生反應(yīng)生成一個NiO巖鹽相物質(zhì)，引起正極結(jié)構(gòu)的變化，在正極界面會產(chǎn)生微裂紋；另一方面，純硅材料在充滿電時會有約4倍的體積膨脹。這就導(dǎo)致正負(fù)極在充電過程中的界面改變都會導(dǎo)致電池性能的劣化。
針對上述問題，甘朝倫介紹了公司在電解液方面的研發(fā)思路：其一，主要是希望通過添加劑對界面進(jìn)行改進(jìn)，找出在正極表面和負(fù)極表面形成比較好的界面膜的添加劑；還有一個思路是希望能夠發(fā)現(xiàn)可以抑制氣體產(chǎn)生的添加劑，或者是能夠把產(chǎn)生的氣體消除掉的添加劑。
基于上述研究，據(jù)甘朝倫介紹，公司開發(fā)出兩類產(chǎn)品：亞磷酸的添加劑、含硫添加劑、硅系添加劑。演講中，甘朝倫就三類添加劑的研究進(jìn)展及各自情況進(jìn)行了分析介紹。
在固態(tài)電池電解質(zhì)方面，據(jù)甘朝倫介紹，公司針對聚合物、氧化物和硫化物固態(tài)電池電解質(zhì)都有布局和研發(fā)。
針對聚合物固態(tài)電解質(zhì)，主要研究方向是將PEO與其他材料共混或交聯(lián)，形成有機-無機雜化體系，提升性能。研究體系包括PEO固態(tài)聚合物體系、聚碳酸酯體系、聚烷氧基體系和聚合物鋰單離子導(dǎo)體基體系。
針對氧化物固態(tài)電解質(zhì)，主要研究方向在提升電導(dǎo)率；替換元素或摻雜同種異價元素。研究體系包括非薄膜如鈣鈦礦型、石榴石型、NASICON型、LiSICON型；薄膜如LiPON型。
針對硫化物固態(tài)電解質(zhì)，主要研究方向為提高電解質(zhì)穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，元素?fù)诫s發(fā)揮各元素協(xié)同作用。研究體系有Thio-LiSICON、LGPS型和Li-aegyrodite型等。
鋰硫電池被認(rèn)為是未來鋰電池技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，但鋰硫電池的缺點目前也非常明顯，主要是其循環(huán)性比較差。
針對該問題，據(jù)甘朝倫介紹，其公司主要從兩個方面對其缺點進(jìn)行改進(jìn)：1.鋰負(fù)極表面形成保護(hù)膜；2.抑制多硫化鋰的穿梭效應(yīng)。
在負(fù)極保護(hù)添加劑方面，甘朝倫介紹稱，最常用的添加劑就是硝酸鋰，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用得也比較多，“從數(shù)據(jù)來看，加了硝酸鋰之后，它的金屬鋰表面會明顯光亮一些，說明硝酸鋰對于金屬鋰負(fù)極的保護(hù)還是挺明顯的。在硝酸鋰的基礎(chǔ)上也尋找其他的鋰負(fù)極保護(hù)添加劑。”
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