深圳先进院新型锂离子电池成功量产

2022年05月25日 15:36 次阅读 稿源:中国科学报 条评论

受得了炎热气候、扛得住冰天雪地、充电快速、成本还低,如此“能打”的锂电池是真实存在的!5月24日,记者从中国科学院深圳先进技术研究院获悉,该院碳中和(筹)研究所唐永炳团队的一项新型锂离子电池技术于5月24日完成了规模化量产。

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抗冻又耐热,合格率超99%

新型电池规模化产线局部(左)及批量测试(右)来源:深圳先进院供图

统计数据表明,本次规模化量产的产品合格率达到99.11%,过程各工序合格率均99%以上。

团队表示,这是我国首款具有宽温域、低成本、长寿命的电芯产品,有望打破电池产业格局。

适应环境温差“横跨”150℃

从汽车到电子产品,锂离子电池早已渗透到人们生活,为衣食住行提供“动力”。据工信部赛迪研究院近日发布的《2021中国锂电产业发展指数白皮书》显示,我国已连续五年成为全球最大的锂电池消费市场。

然而,受电池关键材料的限制,目前锂离子电池的一大局限是,在零度以下的低温条件下无法充电,而在50℃以上的高温条件下,安全性又不能保障。我国幅员辽阔,气温随地域和季节变化大,北方地区冬季温度可以低至-40℃以下,而南方地区夏季地表温度高达50℃以上,冬季电动车无法启动、智能手机自动关机,夏季电动车自燃等情况频发。

新型电池高低温性能测试(左:-70℃测试,右:80℃测试)来源:深圳先进院供图

为此,唐永炳团队历时近10年,研发出了既抗冻又耐热的新型锂离子电池技术,最低工作温度可以达到-70℃,而最高工作温度高达80℃,而且低温与高温性能可以同时兼顾。

据悉,该产品的高低温性能、循环寿命、安全性能等各项指标,均已通过第三方权威机构检测,并获得ISO9001、GB31241-2014、IEC 62133-2:2017、UN38.3等标准和资质认证。

研发关键负极材料

新型电池“新”在何处?团队主要从负极材料和电解液上下功夫。

据了解,目前电池的正极材料相关技术已接近“天花板”,要提升性能,负极材料尚有发展空间。为此,团队研发了一种新型铝基复合负极材料,通过与商用锂离子电池正极材料匹配,针对不同应用场景,成功开发出了新型锰酸锂、磷酸铁锂和三元电池等产品。

“我们开发的电池产品除了耐热抗冻的特性以外,还具有高安全、长续航、快充和低成本的优势。”该团队表示。

在安全性能方面,常规锂电池随着不断使用,内部会产生锂枝晶,既影响充电能力,还可能刺穿隔膜,带来电池短路等隐患。而团队开发的新型铝基负极,在低温和过充条件下能有效缓解锂枝晶的产生,提高了安全性。

在续航性能上,得益于铝基负极材料高的理论容量,该电池能量密度较传统锂离子电池提升13%~25%,能做到长续航。此外,由于铝基复合负极优异的导电性能,产品还表现出不俗的快充性能,20分钟即可充满电,为半小时充电需求提供了解决方案。

在成本方面,基于铝基复合负极的性能优势,并结合开发的高性能电解液,低温电池产品可以摆脱对昂贵的纳米级正极材料的依赖,电池成本可以降低10%-30%。

应用场景“上天入地”

据悉,本次量产主要应用于电动车相关领域,对批量电芯进行深度性能评估,相关性能评估已满足使用需求。

一直以来,团队坚持紧贴市场需求。“有些场景需要零下40摄氏度也能正常充放电,而有些则在长循环方面提出了更高要求。围绕核心技术,结合实际情况,我们对产品不断作出调整。”团队表示。相关产品可以应用于光伏储能、家庭储能、通讯基站储能、轨道交通、国防建设、航天航空、极地科考等领域,尤其适用于高寒地区及亚热带地区,显著扩大了电池的应用范围。

据悉,相关研究成果在Nature Chemistry, Nature Communications, Advanced Materials等国际期刊,已发表高水平SCI论文90余篇;同时围绕相关技术进行了系统全面的知识产权布局,形成了180余项包括PCT专利、中国发明专利、美欧日韩专利在内的专利池,已获得授权专利120余项。

此外,据深圳先进院转化处处长吴小丽介绍,基于新型电池技术,团队的23项相关专利依托深圳先进院,以知识产权作价6500万元,成功实现了技术转移转化,于2017年3月成立了深圳中科瑞能实业有限公司(简称“中科瑞能”),获现金投资2500万元,注册资本1亿元。目前,项目正在进行增资扩股洽谈,进一步建成新型电池规模化产线,快速推动新型电池产品在多种领域的应用。

国际储能材料及电化学著名权威专家、美国德克萨斯大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram在ACS Sustainable Chemistry & Engineering的综述论文中对该技术评价道,“该成果首次提出了双功能铝基负极的概念,匹配商业化正极如钴酸锂、磷酸铁锂、三元材料等,电池表现出优异的长循环稳定性,使得铝基电池具有巨大的应用潜力”。

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