當升科技陳彥彬：新能源汽車各工況下對正極材料穩定性的研究
5月21日下午，由中國化學與物理行業協會動力電池應用分會、電池中國網聯合主辦，東莞塔菲爾新能源科技有限公司重點支持的“Li+學社·成就鋰享 智信未來（2018）系列電池技術沙龍”第三期：“應用極限-動力電池全生命周期研究”在深圳舉辦。
北京當升材料科技股份有限公司副總經理陳彥彬先生做出了題為：《新能源汽車各工況下對正極材料穩定性的研究
》課題報告。
陳彥彬：各位下午好，這次接到張總的邀請，關于全生命周期。其實我原來也稀里糊涂的就是要做長壽命的東西，和全生命周期掛鉤，所以這次來交流一下，也是學習的機會。
首先，簡單匯報一下公司的變化。我們這幾年動力電池正極材料產能一年達到19000噸，主要基地有兩個，今年上半年融資15個億，下一步還會擴建。
我們主要的精力放在三元材料，中國在高倍率的鈷酸鋰可能60%是無人機。我們從523、622一直到811。
2016年、2017年三元材料出口肯定是第一的，一家占40%。這是我們國際客戶和配套的主要車型。
再講一下全生命周期的挑戰和對策。原來講全生命周期主要在車上，電動車上用的10年或者12萬公里，容量、輸出、壽命包括鼓脹方方面面要達到一定的要求。從廣義的來講，電池生命太高，必須要經過儲能的梯次利用，也有一定的廣義應用。電池二次利用時的剩余價值。車跑個8年、10年，應該還行。但如果要把梯次利用想發揮剩余價值，還是有很大的挑戰。這里面主要是從車上退下來之后，電池健康度的狀況到底是什么狀況。它的不確定性會比新電池要大得多。
像我們說電池健康度怎么管理的問題。人的健康怎么管理，上中學時體檢可能查查視力、肺活量。到40歲、50歲，現在體檢的項目很多，體檢一次幾千塊錢。體能、爆發力、視力、聽力、肺活量、骨密度、骨齡、心血管年齡/臟器生理年齡等等很多東西。但動力電池，將來在梯次利用里也會有很多問題。我看主要集中在容量和內阻，我覺得光檢查這兩項可能還遠遠不夠。應該有更全面的管理，比如電池的散熱情況，老舊電池，散熱量會更差，一致性會變得更差。這應該比我們管理車用這一段，年輕軍組成部分。到ESST利用（音），相當于退休的老干部，關于健康度的管理，難度要大得多，要復雜的多。常規的拿壽命為利，一個失效的模式，最理想的是非常平滑的線。比如我順利的度過EV的80%，再ESS再衰減80%。但梯次是不太好的情況，第二階段內阻增大非常大，容量在充放電時晝夜變化波動非常大，內阻增加比較大，放大溫度效應，最大的變化是突然失效。比如我畫的幾種概念性的狀況，這是拋磚引玉。
現在高能量密度高了，壽命可以短一點。原來的要求是2000次，12年。假如說儲能上再用2000次，就還得20年，時間太長了，30年的電池壽命可能抗不住。綜合考慮，因為我沒有看到數據，就大膽提出。如果要滿足這兩個周期，電池的壽命怎么著也要3000次以上的壽命，Cycles要達到20年，汽車10年、儲能10年。車用時縮減20%，儲能再縮減20%，就是60%。當然這是一個最低的要求?，F在的標準包括設計目標都是4000次80%，一次一充放電。在這個過程中，除了常溫壽命還有高溫壽命、高溫存儲、DCIR的變化，安全性、一致性等方面，都是我們盡量做到最優化。
另外動力電池面臨能量密度提升的目標。原來老生常談，朝622、811甚至未來還要超過90，這都是有可能的。這當時是為了提高能量密度?，F在巨大一個推動力是鈷價上漲，如果用811就比622少了一半。容量高反而成本還有優勢。尤其是原裝電池，能用811的一定不會用622、523。另外是做高電壓。比如523，國內可以做到220瓦，再加點其他低成本的材料能做到210瓦。這個電池2018年已經量產了，而且壽命還非常好的。最后一點，做高能量密度的，從材料的角度做高密度材料，才能做高密度電極。
電池材料的壽命衰減，常規的原理都是類似的，只不過對三元材料來講，有一個特殊的地方，它是一個團聚體，團聚體充放過程中會散掉。散掉之后里面會有孤島，有接觸問題，甚至會形成新的界面。由于粉化帶來的一系列問題。
我們有一些做法，第一，想辦法不讓它粉化，甚至不粉化。第二，總是有一些材料粉化。高倍率的材料很小，肯定強度差。但我也不怕它粉化。比如鋼化，短時間就會氧化。但如果做成不銹鋼粉，就又不氧化了。這個材料即使粉化也不怕，相對來講穩定性更高。球越小，顆粒強度越差，很容易壓碎，壓碎之后會變得更碎。這樣會帶來壽命衰減的問題。當然，應對它的辦法，第一個是做成單晶，就不容易損壞，所以單晶材料后續發展的勢頭應該很猛，應該是非常有特點的地方。有些地方可以選擇單晶，有它的問題是小顆粒生產成本高。能不用單晶也可以不用，但有些地方單晶確實有優勢。5SC、6SC、8SC就是一系列單晶材料，性能更好。另外紅色的，分解溫度更高（見PPT），縱坐標是功率，火苗小。燒的時間短，火苗還小，所以危險性小了很多。另外一個，沿著原來團聚性的做法，做的材料呈現徑向發射的結構，抗壓和抗粉化的能力就強很多。不管是做徑向發熱的或者單晶性的前驅體就非常重要。當升這些年能發展得比較扎實的重要原因，我們一開始在做鈷酸鋰的前驅體。我們有一些理解。最右邊的是小顆粒（見PPT），比如5微米以下，要做高功率的材料，只能用小顆粒，但小顆粒成球的難度就很大。小顆粒小到5微米，大顆粒大到20微米都可以做。市場上一般是10微米左右，因為10微米最容易做。高功率的材料需要小顆粒，10微米是常規的。做單晶的前聚體更特殊。
另外是摻雜改性，一摻壽命就大幅度改善，但容量大幅度降低。能不能少摻點，壽命不降低。隨著高鎳化材料的應用，維度會越來越低，摻雜，越來越低的溫度燒時，可能燒不進去，那就是常規的摻雜方法不行，在前驅體就摻進去。為什么說韓國做NCA（音），前驅體不是。韓國人做NCA，是NC，沒有鋁，有鋁就做不進去，燒時再加鋁。這種，性能上就會有問題。
還有包覆，在顆粒的表面進行處理，這是多元素的包覆。有些元素效果很好，改善作用很強，但覆蓋度不夠。有些元素可能拓展性很強，覆蓋度很好，效果又差一點。像搞中藥一樣，多味中藥藥性要結合，又有覆蓋度又有高的穩定性。
我看國內很多電池企業，極片，只要極片壓不斷就使勁壓，但把顆粒都壓碎了。本來包覆的東西，把顆粒壓碎了，那內表面就沒有包覆。用當升材料，把內表面做成不銹鋼粉，壓碎了也是不銹鋼粉。但最好在工藝設計時，看怎么樣讓團聚材料（音）盡量少的壓碎，比如增加點石墨或者摻一些單晶材料，起到潤滑。光滑的顆?？隙ɑ饋砀菀?，團聚材料就更粗糙一些。現在有些補貼的指標追著沒辦法做最好的電池。但兩年多過去，希望做最安全的電池，才能保證企業安全。從做好產品，做好公司的角度長遠設計開發電池技術。
做正極電池材料，三元材料現在非?；稹Ｇ皫啄晔裁措姵囟寄苎b到車上，做充電寶的電池也做到車上，拿補貼。但品質管理、設備裝配穩定性不夠，也是很大的風險。
這是江蘇當升工廠的圖片，目前有13000噸的正極材料室，還有一個在北京。
第三部分，正極材料開發的進展。
首先講523，講幾款比較典型的材料。前面兩個，5YN、5Y3叫數碼電池材料，沒有包覆，就1500周，電池差一點1000周都不到，裝在物流車或者低端電動車上。比較好的是后面四款，有摻雜和包覆的?，F在最火的是5E12D，現在孚能、卡耐、捷威（音）都是用我們的材料。北汽的車型上，很多都是。我們材料基本包圓了，所以買北汽的大膽的買。5E5D是5微米，用在48伏電源里。這款材料，明年用在奔馳的車上。當然，這是韓國做的電池。也有人把這個和811摻著，摻點這個有大有小或者選擇某一款摻在811里。第三款，是儲能用的，用在特斯拉，在南澳大利亞很多儲能項目里用。最后一個5SC是單晶功能材料，用在車上。在4.2伏下也可以做到210Wh/kg。現在高電壓下做到240Wh/kg。這個壽命有做到500周，也有1000多周的。這是高倍率的材料，523，原來替代333。523才占兩份，鈷含量低，成本有優勢，而且容量高了10個毫安時，這個循環還更好。比較早的數據，這是國內一個公司測。5C充1C放，800周還有90%的壽命。這是把儲能用在特斯拉的一款材料。
這是5SC單晶材料，密度更高，雜質也比較低。我們的密度能做到2.2，原因是單晶化程度更高。但大家會擔心容量。但實際上容量可以做得更高一些。倍率會更好一些。比較一下我們的比同行的都要高一些。
大家一說做單晶，很好做，安全性解決不了加一個助燃劑。這樣電池壽命肯定下降。但當升可以設計專門的前驅體，稍稍改變一點溫度，也不用加其他，就可以做很好的材料。容量包括倍率都還很好。存儲的性能，60度7天的保持率和恢復率，這和團聚材料有專門的比較。
622，我們4年前量產了第一代，從178mAh/g，最早用在北汽的車上。去年和今年推出了第二代，而且是系列化的，有兩三款622，容量達到187，單晶達到186。
這是最早SK（音）測試的，低溫充電、放電都非常好。在這個基礎上開發了更高容量的。高容量的做法主要是把鎳含量提高，鈷降低。相對標準的622，成本肯定也降低了，容量還提高了5、6個mAh/g。估計在座的各位有做方型電池和軟包電池。別看811，圓柱可以用在811，方性和軟包能不能跨過去，如果跨不過去，就是811摻523。如果把811和523調整容量和這個對上，成本也差不多。原來這個材料是181，這個能達到187，而且電壓還高。一般說鈷含量降低，可能電壓還低。但鎳含量高，容量還高?，F在說不清楚。通過大小顆粒的摻混之后，壽命也可以保持原來的水準，就是SK的電池可以做到4000次。
電壓，不管是半電池還是全電池看，電壓都比標準的622更高。
我們也有622單晶材料，這也是和同行的單晶材料對比。我們的堿性雜質更低，單晶化程度更高，容量也高出6個mAh/g，電壓也更高。這和剛才的原理類似，就是不能靠使勁燒，加鋰，一定會犧牲性能，壽命就差不多，只是我們容量高。
剛才給大家留了一個小小的懸念，團聚體材料和單晶型材料，哪一個更好，單晶型會不會容量下降。我們把6E、6E2和6SC做了對比，這都是相對標準的單晶材料。
我們測0.2C，它倆都是標準的622，單晶材料也可以做到這么高的容量，而且單晶材料倍率最好。因為團聚材料充放電膨脹顆粒內部一定有問題，團聚肯定是點對點，單晶材料相對比較光滑，可能是面對面的不是點對點的接觸。雖然單晶顆粒比較大，擴散路徑比較長，我說這個是高速公路，結晶比較好。團聚體，顆粒小，一膨脹，很多斷頭路，顆粒內部由于界面問題還有很多斷點、塌方。單晶材料在倍率上，還是有一些優勢，而且關于導熱性我沒有看到，但也看到報道，單晶材料密度更高，散熱性也更好，但目前沒有這方面的數據。
循環壽命，6E2都是更好的，單晶這是測試的問題，在全電池里測試它們壽命差不多，做好應該和團聚體可以達到一樣的壽命。
這是過程中的平均電壓變化，單晶的、團聚體的。（見PPT）
剛才這是單晶材料的放熱量和放熱溫度，都更有優勢。
單晶材料也有它的缺點，就是生產效率比較低。因為小顆粒流動性比較差，密度比較蓬松，一條線的產能就會下降。大家傾向于加工費稍微高一點的材料，最好用高電壓或者再找補回來一些成本上的問題。
811也有三款材料，206mAh/g還有210mAh/g、215mAh/g的。目前的811是鎳83，再往上是鎳88，再往上是鎳928。雖然沒有標準，但約定俗成有這幾種組成。能看到表面均勻的多元素的包覆。0.1C的容量可以做到206。紅色的材料也有特殊的地方，我們材料在充電的初期，電壓是比較低的。這是大多數材料的特性。在不同倍率下，放電電壓也明顯比競爭材料有一定的優勢。這是壽命，常溫壽命、高溫壽命，更好一些。（見PPT）這是循環DCIR的變化也增長更小。
我們自己實驗室做軟包電池，我們是做評價的，不是專門的電池企業。我們自己做2500周甚至3000周的常溫壽命沒有問題。目前國內有幾家圓柱電池，他們在0.2C的容量達到199，1C190。剛才李總講要軟包，我看軟包發生容量低一些，具體什么原因一會兒你可以分享一下。按說一般圓柱電池底板比較厚，容量不容易出來，但現在看到的數據是圓柱電池容量更高。他們圓柱電池的壽命都能做到1500周。523材料，國內做0.5C充0.5C放，可能1000多周。我看到1200周到1500周的數據是很少的，大多數800、900周，這個能做到1500周。當然，那個是沒有包覆的，包覆常溫能做到2000周。軟包電池做到2500周到3000周應該沒什么問題。但軟包電池要技術成熟，可能還有一個時間差，不像圓柱電池這么快。
我們也開發了容量更高的，210mAh/g的材料。這前面是韓國的材料，也是比較有名的材料。同樣，我們的材料電壓輸出特性內阻小一些。不管是哪一款三元材料，甚至到后面NC都有這樣的特性，循環壽命都差不多。單晶目前做到中試，估計再有兩個月就可以量產。811因為市面上還沒有，我們就和NC做了一個對比。循環壽命要比NC好很多。
這里做一個類比，這兩種密度差不多，但單晶的粉末壓實，明顯要高，另外堿性雜質確實更低。容量可以做到213。但213的原因是我們既然做單晶，肯定不會做常規的組成，比如鎳含量會更高一些。
這是壽命（見PPT），NCA我們也在做。產品數據還做得可以，但苦于國內沒有實際應用，主要是配合國際客戶在做一些開發，我們也有205mAh/g，213mAh/g，225mAh/g的。NCA鎳含量做到92，未來應該沒什么可做了，811也一樣。
我們8A這塊，是12的，也許現在國內同行有些水平比原來高的，堿性做得很低，但性能差得有點遠。Ref1.92，那加電解液得加多少。一般的材料不包覆在0.3左右，小顆粒在0.6左右，這個搞到0.9多，本身安全性差，還要加很多電解液，顆粒強度也大幅下降。我們也比較一下性能，這個材料整體在容量、倍率上都更好。我們的材料充電電壓和最終放電，還是有明顯的優勢。
我們也做了容量更高的，鎳88。但這款對標的是日本的一款材料。最后做出來的容量，我們高出2mAh/g，也差不多。但這方面的特征依然存在，我們的材料明顯阻抗要小，倍率特性上也能看出。這個常溫壽命和高溫壽命，差異比較大。（見PPT）
還做了一個鎳92，更高鎳含量的NCA，它的容量可以做到225，這個材料的成熟還需要一年甚至更長的時間。但這是因為客戶需要，不是我們憑空在做。軟包電池可能做不了，但圓柱電池是有可能的。他們的要求是做到225mAh/g。
大家一直在討論到底是用NCA還是811，還有幾個做軟包電池的說NCA的電池安全性怎么比811好這么多。我說不可能，后面再說為什么不可能。
對標的這個是8E2、NCA，這是206mAh/g，相當于容量差不多的材料做對比。大家都是10微米左右。鎳含量，811鎳83，NCA是81，鈷含量15%，差了4個點，現在2萬塊錢左右的差異。第一點，成本是沒有優勢的。這是典型的NCA，你說未來NCA做到88，做到88得增加7個，減少幾個。比如88、93，那時候可能和811和88、93成本上可以PK。但這種高鈷常規的811、NCA成本上是沒法PK的。
0.1C的容量差不多，但1C的容量，183。如果你的客戶，像中國的國家標準計算密度按1C來算，那它就低多了。鈷含量還高，貴2萬塊錢容量還這么低，電壓還低。國內我了解的大部分用NC，部分做充電寶的用到NCA。這是大家為什么選擇811的原因。保持密度差不多，但容量低那么多的情況下，還一樣，那肯定不占什么優勢。安全性只差了幾度，811是218、212，差不多。8度起不到什么作用。但客戶會講，NCA安全性好很多。我說那你電池容量多少？說180都不到。為什么不到180？倍率差。因為大量鋁摻進去，是吸收容量和倍率的，尤其對倍率的損害比較大。它不是同一個基準比較，如果讓它放在同樣的能量比安全性，才有意義。811從化學穩定上講沒有本質影響。100%的SOC下能量差不多。你讓它容量差了10個毫安時，當然安全性會好一些。我們還是從本質上、基本原理上來認識這個材料。
我分享的就這些，歡迎大家批評指正。
主持人：非常欣賞陳總的分享。
感謝大家參加我們第三期“Li+學社”，希望大家多給我們提一些交流的方向。這次也感謝塔菲爾給我們的支持，謝謝塔菲爾的各位同事，有請張總給我們講兩句。
張雨：非常感謝當升的陳總還有同濟大學的戴老師以及塔菲爾的葉總和李博士（音），每次我都要感謝企業給我們的支持，包括學術界。今年和同濟大學，我們整個沙龍從題目到探討方向，都是我們和同濟在交流。因為我們未來電池在使用上，系統這塊還是挺關鍵的。我們跟同濟在一兩年前就開始交流，動力電池峰會成立之后，剛開始很多工作需要做一些基礎，但我們會默默的如期辦下去。任何一個產業也好，研究方向也好，它沒有一個循環性的支持，可能也持續不下去。我為什么特別感動企業給我們的支持，尤其是像塔菲爾今年對我們學術，給了很多大力支持。一個企業在關注研發學術，它自身的產品一定也會非常重視。因為我們也去過塔菲爾調研交流過。我們覺得選擇和塔菲爾在學術這塊做深入的探討，他們在研發尤其是企業中，老板的氣質和團隊，非常貼切未來的產業發展。當升材料我們前段時間調研，跟他們的團隊也做過深入交流。這期沙龍，我給陳總打電話也是非常臨時和突然，特別痛快的給了我們支持。
動力電池峰會去年剛剛成立，電池中國今年第五個年頭。剛才陳總說你們第一屆汽車交流會為什么不宣傳。其實我們做很多事情都是這樣的風格，很少前期大量的宣傳自己。因為覺得有些東西做得更重要，在這里非常感謝大家，堅持到現在給我們做報告和分享。謝謝大家！
明天的參會，我們有兩個平行論壇，是非常熱的一天，如果大家報了名參會的，今天下午會展中心已經開放報道了，大家可以去報道，領資料和參會證。祝大家在深圳期間愉快，謝謝大家！
（根據現場發言整理、未經本人審核）
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