今天給大家分享一篇汽車動力電池行業(yè)最大的黑馬孚能科技在美國總部的研發(fā)項目，一起看看在美國能源部主導(dǎo)下的汽車動力電池開發(fā)進(jìn)展。

    開發(fā)一款高能量密度，低成本的鋰離子電池動力電池，滿足USABC提出的純電動汽車用動力電池在2020年商業(yè)化的總體目標(biāo)。

    項目總體目標(biāo)：

    1,開發(fā)EV電池能量密度350wh/kg,循環(huán)次數(shù)大于1000次，成本??0.1/Wh

    2,與合作伙伴聯(lián)合開發(fā)改進(jìn)型正極材料以滿足USABC的目標(biāo)

    3,開發(fā)硅基負(fù)極材料高能量密度電池體系

    4,開發(fā)預(yù)鋰化技術(shù)

    5,開發(fā)和優(yōu)化電解液，導(dǎo)電劑，穩(wěn)定高電壓正極性能，改善循環(huán)壽命和安全性能

    實(shí)現(xiàn)方法：

    該項目的主要障礙是實(shí)現(xiàn)高能量密度和穩(wěn)定的化學(xué)成分，以滿足循環(huán)壽命和日歷壽命目標(biāo)以及新材料兼容的制造工藝。為了滿足USABC 350 Wh/kg的目標(biāo)，F(xiàn)arasis需要使用高容量負(fù)極（硅）和正極材料。為了獲得所需的能量密度和循環(huán)壽命，F(xiàn)arasis正在篩選關(guān)鍵的電池材料，如正極，負(fù)極，電解質(zhì)和隔膜。此外，F(xiàn)arasis正在尋求鋰源開發(fā)，用于預(yù)鋰化，Li源的優(yōu)化，電極設(shè)計，電池設(shè)計以及化成和測試流程的優(yōu)化。

    在這個初始階段，該項目專注于篩選扣電中的正負(fù)極材料。 正極的容量應(yīng)高于200mAh/g，負(fù)極容量必須在500-1800mAh/g。將材料在單層軟包電池中篩選并評估阻抗，倍率和循環(huán)壽命。 使用基線陽極和陰極電極構(gòu)建18650電池，用于電解質(zhì)優(yōu)化和材料的相對安全性。

    該初始篩選的結(jié)果用于縮小最適合該化學(xué)的電解質(zhì)組合物，并將用于第二輪小電芯制作的進(jìn)一步優(yōu)化。 Farasis不斷致力于鋰源材料的合成，并將其作為預(yù)鋰化源加入。設(shè)備級測試和基礎(chǔ)電化學(xué)測量的組合用于指導(dǎo)項目第二階段的大型電池的開發(fā)。

    該項目的第二階段大約需要17個月，并使用精細(xì)的電芯材料庫轉(zhuǎn)移到大型軟包電芯的制造和測試。其中一些正在進(jìn)行的材料開發(fā)將在此階段繼續(xù)進(jìn)行，以解決第一階段中確定的特定問題，并進(jìn)一步優(yōu)化電芯性能。這將在以10-30 Ah 第一代電芯開始的兩次迭代中發(fā)生，并且基于更大的軟包電芯形狀因子進(jìn)展到最終可交付的高能60Ah電芯。第二階段還將包括測試，以指導(dǎo)未來應(yīng)用中的系統(tǒng)開發(fā); 這些測試將表征小組中的電芯，以有效地評估它們的大批量下的表現(xiàn)，其中熱管理，循環(huán)誘發(fā)的性能梯度差異和失效保護(hù)是很重要的。

    結(jié)果：

    正極活性物質(zhì)的開發(fā)

    Farasis已經(jīng)確定了八種正極材料的容量，容量目標(biāo)是在187-210 mAh/g和297-325 Wh/kg的能量密度（基于10Ah電池），第一代電池的目標(biāo)是能量密度> 300 Wh/kg，正極材料的表現(xiàn)如下圖所示
    Farasis 在具有固定容量的Si負(fù)極的單層軟包電池中評估了12種正極材料（高壓NCM，含有富鋰錳基的NCM和高鎳NCM），在10 Ah軟包電池中的目標(biāo)能量密度為290-310Wh/kg。基于循環(huán)壽命，DCR和倍率性能的結(jié)果，F(xiàn)arasis 向下選擇了具有300Wh/kg目標(biāo)能量密度的正極材料。向下選擇的正極材料將繼續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化第一代可轉(zhuǎn)化的電池，其目標(biāo)循環(huán)壽命> 400次循環(huán)且初始能量密度為300Wh/kg。與此同時，F(xiàn)arasis正在使用所選的正極材料來優(yōu)化單層軟包電池中的鋰源，以改善循環(huán)壽命，并研究對電池的阻抗和安全性的影響。

    如下圖顯示了在10-30 Ah不同大小電池中（固定的負(fù)極容量，300 Wh/kg能量密度）的不同正極材料的循環(huán)壽命。
    負(fù)極技術(shù)的開發(fā)

    Farasis已經(jīng)評估了供應(yīng)商所提供的一系列Si材料（Si合金，SiO，Si納米線和Si納米顆粒）的單層軟包電池，目標(biāo)能量密度為290-310 Wh/kg。Farasis評估了一系列配合五種不同正極材料的Si材料，并根據(jù)300 Wh/kg電池的體系活性物質(zhì)的循環(huán)壽命，阻抗和倍率性能，對這些材料進(jìn)行了選擇，以應(yīng)對USABC所定的400Wh/kg的目標(biāo)。

    預(yù)鋰化技術(shù)的開發(fā)

    Farasis合成了用于預(yù)鋰化的鋰源。 在第一年的時候成功合成了大批鋰源材料（用于預(yù)鋰化）并在含有Si基陽極的單層軟包電池中測試這些材料。Farasis制造了包含預(yù)鋰化小軟包電池，以確定其對循環(huán)壽命的影響。下圖顯示了Si復(fù)合材料（> 1000mAh / kg）預(yù)鋰化與否的循環(huán)壽命比較。
    電解液技術(shù)的開發(fā)

    Farasis正在對3 Ah 18650電池以及單層軟包電池進(jìn)行電解液研究，評估和優(yōu)化。下圖顯示了不同電解質(zhì)配方的循環(huán)壽命結(jié)果，這是在沒有預(yù)鋰化的10-30 Ah電池中，匹配300 Wh/kg材料體系。結(jié)果表明，與其他電解質(zhì)相比，EV12的循環(huán)壽命更好（450周循環(huán)@ 80％保持）。 含有EV12的電池還表現(xiàn)出較低的阻抗和較好的倍率性能。
    電芯開發(fā)

    Farasis在項目的前六個月提供了基準(zhǔn)電芯進(jìn)行測試。 為了滿足USABC第1代300 Wh/kg的目標(biāo)，F(xiàn)arasis制造了200個3Ah 18650電池，進(jìn)行電解質(zhì)優(yōu)化，并了解材料的相對安全性?；?8650和具有不同正負(fù)極的單層軟包電池的結(jié)果，F(xiàn)arasis為10-30 Ah電池設(shè)計中針對300Wh/kg的材料體系制作了100個1.5Ah軟包電池。

    為了滿足USABC的目標(biāo)，F(xiàn)arasis將繼續(xù)通過從小電池結(jié)果（循環(huán)壽命，阻抗，倍率和安全性）以及其他電池組分的優(yōu)化實(shí)施改進(jìn)的材料來制作多個高容量的電池。下圖顯示了1.5 Ah軟包細(xì)電芯的循環(huán)壽命，預(yù)計這些電芯的循環(huán)壽命在350-400個循環(huán)之間。
    總結(jié)

    在項目最初開始的8個月，孚能評估了12種正極材料和4種硅負(fù)極材料，選擇了第一代可交付（300 Wh/kg）電芯的材料體系，循環(huán)壽命為450保持率80%，且沒有經(jīng)過預(yù)鋰化。該體系可在10-30 Ah電池中滿足300 Wh/kg目標(biāo)。 Farasis已對不同的體系進(jìn)行了相對安全性測試。接下來對于不同的導(dǎo)電添加劑和電解質(zhì)，繼續(xù)在第一代化學(xué)中進(jìn)一步優(yōu)化，為了達(dá)到USABC的目標(biāo)，將開始研究具有預(yù)鋰化的高容量Si（> 1000 mAh/g）。目前已在用于高容量負(fù)極材料的小軟包電池中加入Li源，以開始優(yōu)化容量，循環(huán)壽命，阻抗以及電池安全性的影響。