福建猛獅劉學(xué)利：高鎳攜手高硅，共創(chuàng)高能量密度鋰電美好未來(lái)
劉學(xué)利（福建猛獅新能源科技有限公司技術(shù)部經(jīng)理）：
在正式匯報(bào)前其實(shí)我想讓大家深度思考一個(gè)問(wèn)題，我們作為鋰電的后來(lái)者，能不能超越我們的“祖師爺”，后面大家可以看一下最終的答案。
我的匯報(bào)分為三個(gè)部分：
一、正極高鎳VS負(fù)極高硅是時(shí)代的重要選擇之一。
二、圓柱18650高鎳三元與磷酸鐵鋰綜合成本的對(duì)比。重點(diǎn)會(huì)對(duì)比一些資源方面還有成本方面。
三、猛獅18650-38P（3800mAh）特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。3800目前已經(jīng)突破了業(yè)內(nèi)的極限。
首先給大家看一下新版的化學(xué)元素周期表。鎳是一種近似銀白色、硬而有延展性并具有鐵磁性的過(guò)渡性金屬元素，位于第四周期第八主族。它的主要氧化數(shù)是+2、+3、+4，全球主要產(chǎn)地是南非、印尼。
常見(jiàn)鐵鋰材料和三元材料的對(duì)比。磷酸鐵鋰材料電壓是3.2V，克容量我們實(shí)際應(yīng)用時(shí)是在140左右，錳酸鋰大概在120，鈷酸鋰可以發(fā)揮到150，三元的話可以發(fā)揮到220。這里成本較低的就是磷酸鐵鋰，最貴的是鈷酸鋰，我們?nèi)牧咸幱谥虚g的位置。
現(xiàn)在三元材料一個(gè)主要的用力方向就是要實(shí)現(xiàn)低鈷，鈷是價(jià)值昂貴、稀缺的資源，降低鈷的含量可以大幅節(jié)約材料的成本。
鎳從最高的NCM111也就是NCM333，逐漸上漲到NCM523、NCM622、NCM811，現(xiàn)在到了90、93、95、98、99。
然后就是NCA材料，NCA材料在這里先提前劇透一下，我們的3800容量用的就是NCA材料。NCA材料一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)就是高克容量和高壓密度，意味著更高的體積利用率。
另外高電壓材料，我們這里重點(diǎn)介紹的是5V的鎳錳酸鋰，這是常見(jiàn)的一些高鎳材料，首先是NCA89，也就是目前比較成熟的一款產(chǎn)品，它的克容量可發(fā)揮到225。
第二款NCM90，它的克容量可以發(fā)揮到229。第三種是NCMA，也就是我們常說(shuō)的四元材料，鎳鈷錳酸鋰，它的鎳含量是89%，克容量可以發(fā)揮到228。
在所有的材料中，高鎳材料最高是100%的鎳酸鋰它的克容量可以發(fā)揮到247.5%，像對(duì)于錳酸鋰的120來(lái)講是它的兩倍。鋁的主要作用是起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
下面介紹一下負(fù)極硅，硅是地殼中第二豐富的元素，有多少沙子就有多少硅，僅次于氧。硅的理論客容量可以達(dá)到4200，我們石墨的理論客容量只有372，意味著他的容量是石墨的10倍，換言之，如果石墨和硅是同樣的價(jià)值，意味著硅可以把成本下降90%。
硅基負(fù)極目前存在的一些問(wèn)題：首先體積變化大，純硅的體積膨脹率可以達(dá)到300%；其次，首效比較低，最低只有70%左右。正極提供了100個(gè)鋰離子，到負(fù)極上有用的只有70個(gè)。
最大的缺陷是循環(huán)壽命比較短，最慘的可能只有20-50次的循環(huán)壽命。
既然有那么多的問(wèn)題我們就可以不用了嗎？不能，所以我們要想辦法解決困難。針對(duì)體積膨脹的問(wèn)題，我們采取納米化，預(yù)留膨脹空間，可以把極片的膨脹率控制在10%以內(nèi)，無(wú)限接近于石墨這個(gè)體系。
通過(guò)表面處理，出現(xiàn)首效大于90%，無(wú)限接近石墨的首次效果。
針對(duì)循環(huán)壽命短的問(wèn)題，我們采用了人工S壓成、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、構(gòu)建，極片工藝和電解液優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高硅體系循環(huán)壽命做到500以上。
這是18650高容量、低延性的產(chǎn)品技術(shù)路線。這是我第二次上臺(tái)演講，2021年我們發(fā)布了18650-3500mAh，通過(guò)一年的試運(yùn)營(yíng)工藝非常成熟，現(xiàn)在已經(jīng)大批量供貨。
今年首次3800毫安時(shí)的已經(jīng)下線。4000毫安時(shí)的也研發(fā)成功了，循環(huán)壽命沒(méi)有到設(shè)計(jì)中那么完美。
4680，這方面我們是后來(lái)者，這些年遇到了一些財(cái)務(wù)狀況，研發(fā)投入相對(duì)比較少，得到了一些也的朋友，尤其是抖音上粉絲的支持，這是最開(kāi)心的事情。本來(lái)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期要半年，開(kāi)模費(fèi)就要花300萬(wàn)，我抖音上的粉絲免費(fèi)送給我了30套蓋我非常開(kāi)心。
今年4月22日第一顆4680的電芯已經(jīng)下線，容量是第一個(gè)25安時(shí)811+石墨體系，支持5C快充。
如果我們18650、38P的材料體系嫁接到鋁殼版本的4680就可以做到38毫安時(shí)，能量密度超過(guò)340Wh/kg，這是我們實(shí)際做出來(lái)的4680電芯。
4680立項(xiàng)有一個(gè)小故事，有一天找邵總，他問(wèn)我要不要做4680，我說(shuō)做吧，沒(méi)錢(qián)沒(méi)人也得干。我們?cè)?/span>2021年11月11日，那天我說(shuō)今天是好日子今天里立項(xiàng)，邵總就快樂(lè)的簽字。
這是我們做的實(shí)際在過(guò)程中的實(shí)例，我們做的方案和其他家有一些差別，我們先做的是多極耳的工藝，多極耳也有多極耳的好處和劣勢(shì)，好處是和現(xiàn)有的設(shè)備兼容性很強(qiáng)，幾乎可以無(wú)縫替換。劣勢(shì)就是電阻稍微會(huì)高一點(diǎn)，其他的目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)致命的缺陷。這個(gè)是鋼殼版本的4680，更適合用于汽車(chē)上面，因?yàn)槠?chē)要抗沖擊、抗撞擊。但鋼殼版本結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，重量、能量密度很難得到提升。我們做的極限，也只能35安時(shí)，就是320Wh/kg左右的能量密度，用在車(chē)上面會(huì)比較合適。
目前鋼殼版本的4680剛剛起步，現(xiàn)在要樣品沒(méi)有，但是鋁殼版本可以隨時(shí)提供。
這是這么多年研發(fā)積累的，包括PCD使用新型和發(fā)明專利一共137項(xiàng)，材料包括裝備、電芯、PACK、啟動(dòng)電池這些方面。
小圓柱方面為什么多數(shù)人選擇三元？根本原因是一節(jié)三元18650等于兩節(jié)磷酸鐵鋰電池的電量。從正極材料來(lái)講，磷酸鐵鋰正極片1.67元，三元是6.4元，這局勢(shì)三元完敗。負(fù)極來(lái)講磷酸鐵鋰也是。但是，我們無(wú)法忽視的一個(gè)現(xiàn)實(shí)就是其他的固定費(fèi)用，我們對(duì)小圓柱來(lái)講需要兩套殼子、兩套蓋、兩套銅箔、鋁箔、隔膜、電解液、墊片熱縮膜、房租、水電、人工、設(shè)備全部要兩倍，需要更多的資源。這樣統(tǒng)計(jì)下來(lái)之后，發(fā)現(xiàn)成本已經(jīng)無(wú)限接近。
磷酸鐵鋰的單體電壓只有3.2伏，三元3.6伏，一個(gè)需要13串，一個(gè)需要16串，意味著三在PACK方面占了便宜。
回收價(jià)值方面，18650三元的電池從汽車(chē)上拆下來(lái)，三五年之后下來(lái)還要值5、6元，如果鐵鋰電沒(méi)有那么幸運(yùn)可能1、2元。這也是猛獅這么多年來(lái)做小圓柱18650，基本上工藝路線沒(méi)變過(guò)，一直沿著高鎳這條路線往下走的原因。
下面匯報(bào)一下38P的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。
正極隨著Ni含量的增高，材料的熱穩(wěn)定性下降，容易發(fā)生鋰鎳陽(yáng)離子混排，引起循環(huán)容量保持率下降；通過(guò)在結(jié)構(gòu)中摻雜新元素、連續(xù)法+間歇法摻混、不同濃度梯度的鎳含量、包覆等措施，提高材料穩(wěn)定性，確保電池安全及循環(huán)良好。
三元也可以做的很安全，它安全的前提是你要把前面的工作做好，首先這里有一個(gè)濃度梯度和殼前驅(qū)體技術(shù)通過(guò)微米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不改變材料的金屬總組成前提下，使材料內(nèi)部元素成連續(xù)變化的濃度梯度分布，材料由內(nèi)部至外表面鎳含量逐步降低。
也就是說(shuō)我的正極材料里最核心的地方，可能鎳是百分之百，但是外面反而是111甚至523，但平均起來(lái)是88%、85%，這個(gè)難度系數(shù)比較大。
另外還有結(jié)構(gòu)中攙雜新元素，像攙雜鎢、鎂等，另外就是連續(xù)法和間歇法摻混，連續(xù)法做出來(lái)的材料它的力度分布比較廣泛，間歇法做出來(lái)力度比較均勻，通過(guò)這種方式進(jìn)行摻混可以提高材料的壓實(shí)密度。材料的壓實(shí)密度高了之后我們的裝填量也會(huì)高一些，容量也會(huì)高一些。
高鎳材料在應(yīng)用中會(huì)存在以下問(wèn)題：
碳酸鋰、氫氧化鋰，殘堿含量較高，對(duì)水分高度敏感，漿料加工困難，正極粉料經(jīng)過(guò)多次水洗及烘干、嚴(yán)苛的外圍環(huán)境濕度控制（濕度可以之在10%以內(nèi)）+全管道密封輸送+擠壓涂布（減少漿料暴露面積和時(shí)間）+選用適合高鎳體系的改性PVDF粘接劑+降堿添加劑+在線攪拌等措施，實(shí)現(xiàn)了漿料長(zhǎng)時(shí)間靜置不結(jié)凍、不沉降、極片涂布后粘接牢固及表面光滑、輥壓后不脆斷等技術(shù)突破。
這些東西看起來(lái)真的很簡(jiǎn)單，實(shí)際做起來(lái)超級(jí)痛苦，心理壓力很大，下面展示一下失敗的案例。
左邊這個(gè)就是龜苓膏，失敗了很多次，右邊是我們涂布時(shí)表面有很多粗澀、不光滑的，還有拉絲、拉條那些。高鎳的材料非常難做，在這步可能就有50%的設(shè)計(jì)師停留在這一步。
正極補(bǔ)鋰，你要想做高容量，正極的克容量不夠用那就只有補(bǔ)，正極的首效一般是94%，我們要補(bǔ)6%進(jìn)去，我們有幾種補(bǔ)鋰的添加劑，包括這種但不限于這種，這種是富鋰的鋰鎳氧。它的克容量可以發(fā)揮到686，3.5伏以上釋放出鋰離子，可以做三元補(bǔ)鋰的材料。
第二種，富鐵酸鋰的容量可以達(dá)到867，充電范圍是3.5—4.5伏。負(fù)極硅碳也是業(yè)內(nèi)的老大難的問(wèn)題，采用循環(huán)性能優(yōu)異的人造石墨進(jìn)行摻混，還要有好的黏合劑，以及對(duì)電解液進(jìn)行優(yōu)化。
硅基材料的預(yù)鋰，這些是跟上游廠家進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)做的。這個(gè)是鋰離子的微觀運(yùn)動(dòng)，右手邊是容積化的鋰離子。花綠的是SEI膜，左邊是鋰離子，大家可以去一些門(mén)戶網(wǎng)站搜索一下就可以看到。
猛獅科技的38P最大的優(yōu)勢(shì)就是非常安全，這種電池是超過(guò)國(guó)標(biāo)的，我們可以100%通過(guò)重物沖擊，其他常規(guī)測(cè)試都可以通過(guò)。這款電芯支持9安的持續(xù)發(fā)電流放電，支持2C快充。這個(gè)是高低溫放電性能，低溫80%，高溫95%，壽命是500次。
這是不同倍率下的溫度曲線，可以看到3C的會(huì)稍微高一些，2.5C表面溫度是70度左右。應(yīng)用范圍基本上現(xiàn)在高端3500能用的都可以用這個(gè)替代，這款不是低成本的產(chǎn)品，適合高端的客戶。
2600的提升30%以上的能量密度，同樣的電量可以減重30%。這是我們通過(guò)的認(rèn)證。目前38P的UL認(rèn)證正在送檢，通過(guò)概率比較高。這是我們部分合作客戶，包括寶馬、摩托、哈雷、中國(guó)鐵塔、林海集團(tuán)、沃爾沃等。
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