孚能开发300Wh/kg的高性能锂动力电池

黑马动力电池企业孚能希望开发一款高能量密度，低成本的锂离子电池动力电池，满足USABC提出的纯电动汽车用动力电池在2020年商业化的总体目标。在项目最初开始的8个月，孚能评估了12种正极材料和4种硅负极材料，选择了第一代可交付（300 Wh）电芯的材料体系，循环寿命为450保持率80%，且没有经过预锂化。该体系可在10-30 Ah电池中满足300 Wh目标。

项目背景：

开发一款高能量密度，低成本的锂离子电池动力电池，满足USABC提出的纯电动汽车用动力电池在2020年商业化的总体目标。

项目总体目标：

1,开发EV电池能量密度350wh/kg,循环次数大于1000次，成本💲0.1/Wh

2,与合作伙伴联合开发改进型正极材料以满足USABC的目标

3,开发硅基负极材料高能量密度电池体系

4,开发预锂化技术

5,开发和优化电解液，导电剂，稳定高电压正极性能，改善循环寿命和安全性能

实现方法：

该项目的主要障碍是实现高能量密度和稳定的化学成分，以满足循环寿命和日历寿命目标以及新材料兼容的制造工艺。为了满足USABC350Wh/kg的目标，Farasis需要使用高容量负极（硅）和正极材料。为了获得所需的能量密度和循环寿命，Farasis正在筛选关键的电池材料，如正极，负极，电解质和隔膜。此外，Farasis正在寻求锂源开发，用于预锂化，Li源的优化，电极设计，电池设计以及化成和测试流程的优化。

在这个初始阶段，该项目专注于筛选扣电中的正负极材料。正极的容量应高于200mAh/g，负极容量必须在500-1800mAh/g。将材料在单层软包电池中筛选并评估阻抗，倍率和循环寿命。使用基线阳极和阴极电极构建18650电池，用于电解质优化和材料的相对安全性。

该初始筛选的结果用于缩小最适合该化学的电解质组合物，并将用于第二轮小电芯制作的进一步优化。Farasis不断致力于锂源材料的合成，并将其作为预锂化源加入。设备级测试和基础电化学测量的组合用于指导项目第二阶段的大型电池的开发。

该项目的第二阶段大约需要17个月，并使用精细的电芯材料库转移到大型软包电芯的制造和测试。其中一些正在进行的材料开发将在此阶段继续进行，以解决第一阶段中确定的特定问题，并进一步优化电芯性能。这将在以10-30Ah第一代电芯开始的两次迭代中发生，并且基于更大的软包电芯形状因子进展到最终可交付的高能60Ah电芯。第二阶段还将包括测试，以指导未来应用中的系统开发;这些测试将表征小组中的电芯，以有效地评估它们的大批量下的表现，其中热管理，循环诱发的性能梯度差异和失效保护是很重要的。

结果：

正极活性物质的开发

Farasis已经确定了八种正极材料的容量，容量目标是在187-210mAh/g和297-325Wh/kg的能量密度（基于10Ah电池），第一代电池的目标是能量密度>300Wh/kg，正极材料的表现如下图所示

8种正极材料的容量数据

Farasis在具有固定容量的Si负极的单层软包电池中评估了12种正极材料（高压NCM，含有富锂锰基的NCM和高镍NCM），在10Ah软包电池中的目标能量密度为290-310Wh/kg。基于循环寿命，DCR和倍率性能的结果，Farasis向下选择了具有300Wh/kg目标能量密度的正极材料。向下选择的正极材料将继续进一步优化第一代可转化的电池，其目标循环寿命>400次循环且初始能量密度为300Wh/kg。与此同时，Farasis正在使用所选的正极材料来优化单层软包电池中的锂源，以改善循环寿命，并研究对电池的阻抗和安全性的影响。

如下图显示了在10-30Ah不同大小电池中（固定的负极容量，300Wh/kg能量密度）的不同正极材料的循环寿命。

不同正极材料的循环寿命

负极技术的开发

Farasis已经评估了供应商所提供的一系列Si材料（Si合金，SiO，Si纳米线和Si纳米颗粒）的单层软包电池，目标能量密度为290-310Wh/kg。Farasis评估了一系列配合五种不同正极材料的Si材料，并根据300Wh/kg电池的体系活性物质的循环寿命，阻抗和倍率性能，对这些材料进行了选择，以应对USABC所定的400Wh/kg的目标。

预锂化技术的开发

Farasis合成了用于预锂化的锂源。在第一年的时候成功合成了大批锂源材料（用于预锂化）并在含有Si基阳极的单层软包电池中测试这些材料。Farasis制造了包含预锂化小软包电池，以确定其对循环寿命的影响。下图显示了Si复合材料（>1000mAh/kg）预锂化与否的循环寿命比较。

正极C1.4,负极预锂化与否的循环寿命

电解液技术的开发

Farasis正在对3Ah18650电池以及单层软包电池进行电解液研究，评估和优化。下图显示了不同电解质配方的循环寿命结果，这是在没有预锂化的10-30Ah电池中，匹配300Wh/kg材料体系。结果表明，与其他电解质相比，EV12的循环寿命更好（450周循环@80％保持）。含有EV12的电池还表现出较低的阻抗和较好的倍率性能。

不同电解液的电池循环结果

电芯开发

Farasis在项目的前六个月提供了基准电芯进行测试。为了满足USABC第1代300Wh/kg的目标，Farasis制造了200个3Ah18650电池，进行电解质优化，并了解材料的相对安全性。基于18650和具有不同正负极的单层软包电池的结果，Farasis为10-30Ah电池设计中针对300Wh/kg的材料体系制作了100个1.5Ah软包电池。

为了满足USABC的目标，Farasis将继续通过从小电池结果（循环寿命，阻抗，倍率和安全性）以及其他电池组分的优化实施改进的材料来制作多个高容量的电池。下图显示了1.5Ah软包细电芯的循环寿命，预计这些电芯的循环寿命在350-400个循环之间。

不同电解液配方的循环寿命

总结

在项目最初开始的8个月，孚能评估了12种正极材料和4种硅负极材料，选择了第一代可交付（300Wh/kg）电芯的材料体系，循环寿命为450保持率80%，且没有经过预锂化。该体系可在10-30Ah电池中满足300Wh/kg目标。Farasis已对不同的体系进行了相对安全性测试。接下来对于不同的导电添加剂和电解质，继续在第一代化学中进一步优化，为了达到USABC的目标，将开始研究具有预锂化的高容量Si（>1000mAh/g）。目前已在用于高容量负极材料的小软包电池中加入Li源，以开始优化容量，循环寿命，阻抗以及电池安全性的影响。