高性能磷酸铁锂动力电池技术及应用

高性能磷酸铁锂动力电池技术及应用沃特玛研发中心技术总监：李路伟2017年4月10日1背景和趋势2沃特玛高性能电池开发进展CONTENT目录2新能源汽车推广应用创新模式1.1背景和趋势——技术需求用户使用需求地域环境差异行业规范要求快速充电长续航里程长使用寿命亟需大力发展锂电池技术锂电池技术政策引领适应高低温环境高倍率快充电池高能量动力电池长循环动力电池低温动力电池新能源汽车动力电池动力电池发展技术需求各种动力电池对比比较项目钛酸锂镍钴锰锂（三元）锰酸锂磷酸铁锂标称电压2.4V3.6V3.8V3.2V质量比能量45-55wh/kg170wh/kg100wh/kg100-140wh/kg循环寿命/次＞900010005002000安全性良好较好良好优秀工作温度范围-30-60℃-20-55℃-20-55℃-20-60℃倍率放电性能≤10C≤5C≤10C≤10C材料降价可能性有一定空间有一定空间不大/有限有很大空间未来价格（含电子）5-8元/Wh2-3元/Wh1.6-1.85元/Wh1.2-1.5元/Wh能量应用比例90-95%60-70%90-95%90-95%优点循环性能好，稳定性高，可快速充电高温稳定性好，抗电介质腐蚀性好锰资源丰富，容易制备，安全性好高安全，长循环，倍率性能好高低温性能优异缺点放电电压平台低，能量密度较低，价格昂贵充放电时材料晶格畸变，循环性能差材料抗溶解性低，深度充放电晶格畸变，容量迅速衰竭导电性一般，振实密度低综合性价比低一般低高1.2背景和趋势——动力电池对比沃特玛成立于2002年，总部位于深圳市坪山区。公司现有员工10000余人，拥有专利1188项，其中国际发明专利3项，国内发明专利376项。2012年-2015年承担完成国家新能源汽车产业技术创新工程—深圳市沃特玛动力电池技术开发项目（1.5亿资助）。工信部首批《汽车动力蓄电池行业规范条件》目录。员工10000人合作车企31家专利1188项研发人员1500人配套电池系统50000辆1.3沃特玛公司简介2磷酸铁锂高性能电池开发进展高能量密度高功率密度环境适应性安全性一致性系统级安全设计验证，失效建模分析相结合，后台监控平台支持。智慧工厂信息物理融合系统，生产智能化、自动化、信息化。轻量化技术和电芯空间利用率优化设计显著提升电池能量密度。卷绕端面焊接工艺，建立极片导电网络框架，提升高倍率下反应动力学过程。材料优化升级，降低电芯各组分低温下阻抗，解决低温下离子脱嵌传输难题。2.1高性能电池开发关键点20162017Q1-Q22017Q3-Q4电芯参数：5.5AhWED:130Wh/kgPack参数：WED:100Wh/kg电芯参数：6.0AhWED:140Wh/kgPack参数：WED:105Wh/kg电芯参数：6.5AhWED:145Wh/kgPack参数：WED:115Wh/kg2018电芯参数：6.5AhWED:150Wh/kgPack参数：WED:120Wh/kg高能量LFP电池优势：1、系统能量密度115Wh/Kg；2、系统循环寿命2000次，8年质保；3、满足2C充电能量密度2.2高能量密度动力电池发展路线2.3电池能量密度的提升技术正极采用纳米级别正极磷酸铁锂及分选配级技术提升材料克容量8%及压实密度6%，正极磷酸铁锂克容量由130mAh/g提升至140mAh/g结构设计优化通过辅材（钢壳、箔材）轻量化技术和电芯空间利用率优化设计结合，在保证机械强度的同时，可提升5%的能量密度。负极负极采用表面包覆和化学改性将石墨克容量从330mAh/g提升至345mAh/g极片制造技术通过构建高效导电和粘结框架网络结构，电池能量密度可提升5%。纳米级磷酸铁锂材料高压实、高克容量人造石墨能量密度提升技术2.3能量密度提升材料需求电解液磷酸铁锂隔膜：厚度10~16um、拉伸强度≥140Mpa、穿刺强度≥4.4N，孔径≤200nm、低自放电率等辅材：从辅料轻量化的角度，减轻箔材、钢壳、盖帽的质量，并且轻量化后对电芯安全性没有影响。高稳定性锂盐功能添加剂，保证SEI膜循环稳定性合适溶剂体系，改善高压实极片浸润性，降低下液时间材料需求提升克容量≥158mAh/g(扣电)提高压实密度≥2.35g/cm3提高粒径均一度、不同批次来料稳定性提升克容量≥362mAh/g(扣电)提高压实密度≥1.65g/cm3提高粒径均一度、不同批次来料稳定性隔膜、辅材石墨提升技术成果沃特玛已完成不同能量密度电池体系的开发，主打产品32650-6.5Ah145Wh/kg磷酸铁锂动力电池，掌握高能量密度，高安全性动力电池相关核心技术，并处于行业领先水平，为保证电动车续航里程打下坚实的基础。2.3电池能量密度的提升技术201620172018极耳结构全极耳结构高倍率LFP电池优势：1、系统能量密度80Wh/Kg；2、系统循环寿命2000次，8年质保；3、满足3C充电充电倍率电池容量：5.0Ah充电倍率：6CPack参数：充电倍率:2CPack参数：充电倍率:2.5C电池容量：5.5Ah充电倍率：6C电池容量：6Ah充电倍率：10CPack参数：充电倍率:4C2.4高倍率动力电池发展规划路线2.4高倍率动力电池发展规划路线正极优选较小粒径球形LFP原料经过改性处理结构稳定适宜Li+快速脱出嵌入隔膜采用高孔隙率优异孔结构分布双面陶瓷隔膜负极优选高纯度大层间距人造石墨二次造粒结构导电剂选择不同结构的导电剂搭配使用，形成点线面上均可传递电子的三维导电网络结构构建快充材料体系高倍率提升技术倍率特性提升技术010203全新卷绕端面焊工艺储备快速充电全极耳结构设计，过流能力强，实现5-10min充电效率。高效生产采用卷绕与端面焊接工艺相结合，工艺控制精确度高，自动化能力强。超低温升汇流结构降低电芯内阻（＜1mΩ），6C放电温升＜15℃。标称电压：3.2V标称容量：5.0Ah安全性能：通过GB/T31485倍率特性：10-15min充满循环性能：6C充放循环1500周沃特玛已完成32650-5.0Ah高倍率快充磷酸铁锂圆柱电池的开发，具备6C倍率下长循环充放特性，并掌握快充安全性动力电池相关核心技术，满足目前客车快速充电的需求。同时，通过沿途快速充电网络的搭建，还可满足客车电池减重的目的。提升技术成果2.4高倍率动力电池发展规划路线倍率特性提升材料需求-正极材料123高纯相优化工艺合成路线，提升品质一致性；耐大倍率充放，结构稳定。小粒径由纳米级一次颗粒经炭包覆形成微米球，构成二级结构，满足快速通过Li+要求，一次粒径在1μm以下。高导电性优化改性包覆工艺，杂原子掺杂，提升材料本体电子通过能力。倍率特性提升材料需求-负极材料123小粒径Li+迁移路径较短，Li+到达活性位点时间较短。低取向度二次造粒结构，低取向度，缩短Li+扩散距离。大的层间距较大层间距结构，提升Li+嵌入脱出速度，可承受6C（30A）电流的充放且保证循环寿命在2000次以上。4高压实压实达到1.5g/cm3，充放电过程中极片膨胀小，结构比较稳定。倍率特性提升材料需求-隔膜123高孔隙率高孔隙率隔膜可存储更多电解液，延长电池的循环寿命。高的热稳定性热稳定性高的隔膜可保证电芯大倍率产热过多时的安全性能。高导热性表面具有涂覆层例如三氧化二铝、PVDF的隔膜保液性能和导热性能较好。BasePPseparatorPVDFlayerInorganiclayerBasePEseparator低温电池性能LFP-X1400-600nmLFP-X2200-400nmLFP-X3100-200nmτ：锂离子扩散时间D：扩散效率L：扩散长度v0:锂离子振动频率l:跳跃距离Ea:离子迁移能量位垒KB:玻尔兹曼常数T：绝对温度粒径减小，有利于降低Li+到达活性中心位点的时间，缩短Li+迁移路径。LFP-X1，LFP-X2，LFP-X3的SEM图正极材料GraphiteAG-10.11AG-21.13AG-34.14减小负极材料粒径，有利于降低Li+扩散阻抗，增大Li+扩散速率Li+扩散速率AG-1:D5014.8μmAG-2:D5011.3μmAG-3:D508.4μm负极材料2.7环境适应性◆低温电池技术领跑：在行业率先研发耐低温电池，并已在黑龙江铁力、新疆乌鲁木齐、内蒙古呼和浩特等北方严寒地区稳定运行超过18个月。◆快充技术：采用独特的配方，实现10-15分钟内充入电量80%以上，保障了车辆续航；将实现3C-4C快充。2.3电芯技术——安全结构圆柱型铁锂电池结构引入了加入通气中心管，解决电池内压的平衡问题，防止电芯的爆炸；电芯安全技术-沃特玛32650通气防爆电芯安全技术-电芯安全阀组合盖帽增加安全阀，有效的控制电芯内压在正常安全范围值内，避免爆炸风险；2.8三元电池和高安全全固态电池◆三元电池：沃特玛已在三元电池领域有充分技术储备，并承担国家创新工程高能量密度三元电池产业化技术攻关课题（已通过财政部、工信部、科技部三部委联合结题验收）。现有成熟的磷酸铁锂电池生产线可在1-2月内切换，支撑三元电池规模化生产。◆高安全全固态电池：承担国家重点研发计划-高安全全固态电池研发保护盖采样板正极支架负极支架端板电芯PCB板汇流板3.1、新成组技术应用1、矩阵式结构A、优点：均流效果好，方便快速拆装；B、缺点：高度太高，不太适合空间高度较矮的车型，防4串以下设计。(a)分解图(b)整体图矩阵式标准箱体及轻量化相结合C2箱（42P24S）详细参数外形尺寸（长*宽*高）1031*630*235mm防护等级IP67电池包单箱重量176kg电池包比能量119Wh/kg单箱最大储能电量21.1kWh单箱标称容量273AH单箱标称电压76.8V2.6成组能量密度的提升技术3新能源汽车推广应用创新模式沃特玛新能源汽车产业创新联盟成立于2013年10月，是沃特玛联合动力电池上游原材料、核心零部件、新能源配件、光伏发电微网储能、装备制造、整车制造、运营平台、金融服务相关企业、高等院校及科研机构自愿组成，核心任务是充分利用企业的技术研发中心、重点实验室、工程技术中心等科研条件和资金实力，建立覆盖新能源全产业链的协作机制，从新材料、新结构、新动力、新工艺、新模式五个方面打造中国未来新能源汽车产业。沃特玛创新联盟共有包括蓝海华腾、赢合科技等上市公司在内的联盟企业600余家，经营范围涵盖新能源汽车全产业链，产值超过数千亿元人民币。沃特玛创新联盟具备强大的技术研发实力和资源整合能力，通过联盟企业之间研发协同、标准统一、市场共享、售后一体，实现了市场、资源、资本、技术的联合联动。1、沃特玛新能源汽车产业创新联盟简介三、沃特玛创新联盟城市交通电动化的内容公交电动化公务用车电动化物流运输电动化市政用车电动化乘用车电动化充电网络全覆盖旅游通勤电动化城市物流运输电动化物流运输业是国民经济发展的重要增长极，随着电商的兴起，城市物流配送成为物流运输体系的重要组成部分，新能源汽车经济、节能、环保、噪声低，非常适合城市物流配送，市场潜力巨大。即用即还司机或企业不需要购置车和拥有车，需要用车时在租赁网点取车即可，使用结束后立即归还计程收费按用户实际行驶的公里收费，费用中含电费，无需额外支付传统的保险、保养等多种费用移动快取通过电话或者手机APP等方式查询附近的移动补电车，通知移动补电车前往为车辆充电，具有取电快和取电方式灵活的特点主动充维后台监控系统对车辆信息实时监控，调度移动补电车前往充电；及时发现车辆故障，提供专业维修保养模式阐释3、运营模式采用“分时租赁”的O2O汽车模式，线下布局集车辆租赁、充电、售后服务等功能于一体的租赁网点，线上将司机网、货物网、需求网、充电网、支付网、车联网、监控网有机结合，打造智能化的运营（监控）平台。入会租车还车充电发单接单结算入会租车接单运输还车发布货源试驾入会租车还车充电司机线上APP货主线下站点运营平台监控结算选择司机支付货费运力外包支付结算线上APP会员系统线下租赁点移动补电车运力外包服务招募司机入会提升司机技能改善司机福