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有关磷酸铁锂电芯的一点思考

  battery design 电池方舟   2021-06-10 次浏览

随着LiFePO4材料的不断改性,电芯化学体系的不断优化,最近两年可以明显感受到越来越多的高端乘用车,开始同步考虑LiFePO4版本车型。LiFePO4主要优势为成本低,安全,劣势是倍率性能和低温性能差,能量密度相比三元要低。这里针对磷酸铁锂,简单聊聊在材料和电芯层级优化升级的途径。

有关磷酸铁锂电芯的一点思考

我们都知道LiFePO4的本征电导率很低,导致其离子和电子的传输速率较低,为解决这个问题,材料的改性工作就非常必要。常见的手段有碳包覆,掺杂和纳米化。表面碳包覆可以提高材料的导电能力,纳米化可以提高材料的电化学活性,元素掺杂可以提高材料的电导率。

碳包覆是在LiFePO4材料的表面包覆一层碳材料,达到对材料表面修饰的功能,优化颗粒之间的导电性能,最终提升材料的电导率和在电池中的电化学性能表现。碳源有蔗糖,葡萄糖等,蔗糖融化后会形成有一定粘度的液体,容易包覆在活性物质表面,碳化后可以得到疏松的无定形碳,有利于电解液的浸润和迁移。碳包覆的方法大致分为两种,一种是先制备好LiFePO4,再向其中加入碳源,分两步制成,这种方法可以增加材料的纯度,扩大碳源的种类,缺点是包覆的碳均匀性较差;另外一种是在LiFePO4的前驱体中加入碳源,形成LiFePO4的同时在颗粒表面形成碳包覆层,一步制成。在这个过程中,碳不仅起到提高材料电导率,阻止颗粒之间相互接触,阻碍高温下颗粒长大的作用,同时起到还原剂的作用,将Fe3+还原为Fe2+。

有关磷酸铁锂电芯的一点思考

纳米化能够提升磷酸铁锂材料的电化学性能,通过纳米化之后,能够减小晶粒的尺寸,缩短锂离子扩散的距离。之所以纳米化有这种效果,主要是因为锂离子的扩散能力随着颗粒粒径的增大而减小,与颗粒粒径的平方成反比。在制备过程中,可以通过控制材料的烧结温度,结晶度,晶粒大小和形貌等来实现。但颗粒也并非越小越好,这是因为颗粒纳米化之后,会导致其堆积密度变小,不利于提高其体积能量密度;同时颗粒纳米化之后,比表面积增大,前工序生产过程中容易发生团聚。

离子掺杂是材料改性常用的手段之一,比如燃料电池所用到的阴极氧还原碳催化剂,也会在前驱体中,掺杂N,P等非金属元素,来提升其其电催化性能。磷酸铁锂的掺杂改性也是类似,在前驱体材料中掺杂Al3+,Nb5+,Ti4+,Mg2+等金属元素取代Li+提高材料的电导率。其机理在于掺入的杂原子能够和其他元素形成固溶体,使杂质能级处于磷酸铁锂导带和禁带之间来提供磷酸铁锂的电子导电性。同时通过掺杂可以增加材料的晶格缺陷,扩展锂离子的扩散通道,减少锂离子嵌入/脱嵌的阻力,从而有利于提高磷酸铁锂的离子和电子导电性。

磷酸铁锂电芯性能和电量的提升不能仅仅依靠材料的改进,电芯和系统层级也要全方位去思考,简单来说,就是电芯和整包设计一体化,电芯通过做大或者做长,提升电芯在整包内的成组效率,来弥补能量密度上的短板(如刀片电池,CTP,JTM等)。基于从整车集成垂直整合电池设计的理念,将电芯加厚或者加长,减少电池包箱体中中横梁、纵梁的使用,使得更多单体电池可布置在电池包中,既可大幅提升电池包的成组效率来提高电池系统总成的能量密度,尤其是体积能量密度。同时可降低电池系统总成的BOM成本。

但这样也会对电芯的制造带来一定的挑战,以长电芯为例,我想在制造上可能会有以下挑战:

电芯壳体设计验证:电芯长度方向大幅增加,考虑到电芯壳体加工和强度要求,需重新进行铝壳设计开发和工艺验证,会增加开发周期和费用;

电芯生产设备升级:在电芯化学体系和产能不变的情况下,除搅拌工艺设备外,从涂布、分切、装配、注液到化成等后续工艺均需升级改造。如涂布工序,涂布模头约在800-1000mm左右,若生产加长后的电池极片,可能需要升级模头,在锂电池的生产工艺优化和设备改造方面需要较大技术和资金投入。

组装控制难度增加:电芯做长之后,可能会有极片边缘打卷问题,同时自动吸合叠片的吸耳数量需要优化,极片过长,叠片过程中也容易出现打皱和正负极错位等问题。

设备工装夹具改造:焊接/化成/容量设备中的工夹具要改造升级,相应流程需要优化,需投入时间成本进行设计和验证。


参考文献

[1] Bi Z , Zhang X , He W , et al. Recent advances in LiFePO4 nanoparticles with differentmorphology for high-performance lithium-ion batteries[J]. Rsc Advances, 2013,3(43):19744-19751.

[2]胡国荣,杜柯,彭忠东锂离子电池正极材料 原理 性能与生产工艺[M] . 化学工业出版社. 2017:247-257

[3] 张宁, 刘永畅, 陈程成,等. 磷酸铁锂表面碳包覆研究进展[J]. 电化学, 2015, 03(3):201-210.

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