“高比能量動力鋰離子電池的研發(fā)與集成應(yīng)用”項目介紹

楊續(xù)來，陳厚梅，高二平

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“高比能量動力鋰離子電池的研發(fā)與集成應(yīng)用”項目介紹

楊續(xù)來，陳厚梅，高二平

（合肥國軒高科動力能源有限公司工程研究院，安徽合肥 230011）

2015年科技部組織編制了新能源汽車試點專項實施方案并與2016年11月12日發(fā)布了2016年項目指南，共支持19個項目，其中“1.2”為高比能量鋰離子電池技術(shù)（重大共性關(guān)鍵技術(shù)類）研究。合肥國軒高科動力能源有限公司牽頭申請的“高比能量動力鋰離子電池的研發(fā)與集成應(yīng)用”項目獲得支持。本文介紹了“高比能量動力鋰離子電池的研發(fā)與集成應(yīng)用”項目的目的和意義，研究目標和研究內(nèi)容，擬解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，研究團隊與研究基礎(chǔ)，研究挑戰(zhàn)和項目預(yù)期效益。

高比能量動力鋰離子電池；重大共性關(guān)鍵技術(shù)；新能源汽車

依據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》、《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》，以及國務(wù)院《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見》等，科技部會同有關(guān)部門組織開展了《國家重點研發(fā)計劃新能源汽車試點專項實施方案》編制工作，本專項總體目標是：繼續(xù)深化實施新能源汽車“純電驅(qū)動”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略；升級新能源汽車動力系統(tǒng)技術(shù)平臺；抓住新能源、新材料、信息化等科技帶來的新能源汽車新一輪技術(shù)變革機遇，超前部署研發(fā)下一代技術(shù)；到2020年，建立起完善的新能源汽車科技創(chuàng)新體系，支撐大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?？萍疾堪凑辗植綄嵤⒅攸c突出原則，2016年首批在6個技術(shù)方向啟動19個項目?！皠恿﹄姵嘏c電池管理系統(tǒng)”方向中的“1.2高比能量鋰離子電池技術(shù)（重大共性關(guān)鍵技術(shù)類）”明確要求在高比能鋰離子電池領(lǐng)域開發(fā)單體能量密度≥300 W·h/kg、循環(huán)壽命≥1500次和成本≤0.8元/W·h的高安全性、長壽命高能量密度鋰離子電池,實現(xiàn)產(chǎn)品累計銷售≥3000萬瓦時或裝車數(shù)量 ≥1000套的市場應(yīng)用要求。

針對指南“1.2”要求，合肥國軒高科動力能源有限公司作為項目牽頭單位，聯(lián)合北京理工大學(xué)、中國科技大學(xué)、深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司、深圳吉陽智云科技有限公司和北京新能源汽車股份有限公司等11家單位，組織申報了題目為“高比能量動力鋰離子電池的研發(fā)與集成應(yīng)用”的項目，并獲得科技部支持，項目批準號為2016YFB0100300。本文介紹該項目的主要思路和研究內(nèi)容。

1 項目目的和意義

隨著近年我國新能源汽車的快速發(fā)展，新能源汽車推廣數(shù)量及電池使用量已躍居世界第一，但在推廣過程中暴露出的續(xù)航里程短、成本較高、嚴重依賴補貼等問題，制約了新能源汽車下一步大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，因此對高能量密度長壽命低成本電池的需求已迫在眉睫。結(jié)合國內(nèi)外動力電池的研究現(xiàn)狀和趨勢，高鎳正極/硅基負極電池體系是開發(fā)高比能量長壽命電池的最佳技術(shù)路線之一。

以本項目的申報和實施為切入點，形成以動力電池制造企業(yè)合肥國軒高科動力能源有限公司為核心的產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，從動力電池產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，解決新能源汽車面臨的重大共性關(guān)鍵技術(shù)難題，實現(xiàn)高能量密度、長循環(huán)壽命、高安全性和低成本的動力鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化以及集成應(yīng)用，趕超國際先進企業(yè)，實現(xiàn)中國動力電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級。

2 項目總體目標

高比能、高安全、長壽命和低成本鋰離子電池是我國實現(xiàn)新能源汽車“純電驅(qū)動”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的關(guān)鍵和重要支撐。本項目擬發(fā)展高容量的高鎳正極和硅基負極材料體系，結(jié)合高安全性納米涂層隔膜和高電化學(xué)兼容性阻燃電解液，采用仿真與試驗相結(jié)合的方式，優(yōu)化極片及電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，在動力電池高比能、高安全、長壽命和低成本方面獲得一系列原創(chuàng)性科研成果，解決其中一些重大基礎(chǔ)和應(yīng)用問題，到2020年底前開發(fā)出能量密度 ≥300 W·h/kg，循環(huán)≥1500周，成本≤0.75元/W·h高比能量電池，形成年產(chǎn)10億瓦時能力，并配套裝車5000輛以上。

3 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題

圍繞項目的總體目標和技術(shù)指標，提出了本項目擬解決的三個層面的技術(shù)問題：在材料研究層面上，研究高容量電極材料結(jié)構(gòu)和界面調(diào)控機理，發(fā)展寬電化學(xué)窗口電解液體系的阻燃機制；在電池開發(fā)層面上，研究高比能電池核心材料匹配性調(diào)控機理，考察電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計對電化學(xué)性能影響機制，建立零缺陷大規(guī)模智能制造失效分析模型；在系統(tǒng)設(shè)計層面上，研究多尺度的熱失控仿真模型及防范機制，開發(fā)電池系統(tǒng)級的安全管理策略，實現(xiàn)高比能電池的高安全特性，滿足市場化的規(guī)模推廣需求。

4 項目研究內(nèi)容與主要技術(shù)指標

實現(xiàn)高比能量電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)并批量裝車，推動新能源產(chǎn)業(yè)鏈的整體技術(shù)進步是本項目的最終目標。材料合成與表征技術(shù)包括了正極材料、負極材料、電解液和隔膜等電池四大主材的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作，是實現(xiàn)300 W·h/kg指標的基礎(chǔ)；高比能鋰離子電池熱失控和防范機制研究將貫穿整個項目的開發(fā)過程，首先從機理上對材料和電解液的匹配提出改善要求，從化學(xué)反應(yīng)層面對安全性能改善提出建議，有效推動材料選型及電池設(shè)計工作，同時為實現(xiàn)電池循環(huán)壽命達到1500次提供理論支撐；然后對單體電池及系統(tǒng)的熱失控機理進行建模分析，考察電池的均一性和壽命影響因素，為單體電池的設(shè)計、集成應(yīng)用等提供設(shè)計理念和方案，也為電池安全和循環(huán)壽命提供保障；基于模型的電池設(shè)計與智能制造技術(shù)是本項目的核心工作之一，通過模型研究指導(dǎo)電池安全設(shè)計，并采用數(shù)字化智能制造技術(shù)控制電池制造過程參數(shù)，保證電池制造的一致性，實現(xiàn)年生產(chǎn)能力10億瓦時的規(guī)?；a(chǎn)目標，同時高效制造過程是電池成本低于0.75元/W·h的有效保障，最終實現(xiàn)累計配套5000輛新能源汽車的推廣應(yīng)用指標。

5 項目團隊和研究基礎(chǔ)介紹

合肥國軒高科動力能源有限公司（以下簡稱國軒高科）（SZ.002074）是專注于鋰離子動力電池及材料研發(fā)與制造的國家級高新技術(shù)企業(yè)，目前擁有國家級企業(yè)技術(shù)中心、國家CNAS認可檢測實驗中心、國家博士后科研工作站等國家級創(chuàng)新平臺。2010年1月，搭載國軒高科鋰離子電池的585輛江淮iEV轎車和180輛安凱純電動大巴投放市場，開創(chuàng)了國內(nèi)規(guī)?；茝V純電動汽車的先河。在高比能量動力電池開發(fā)方面，國軒高科在加強高容量材料和電池研發(fā)的同時，積極構(gòu)筑新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在高容量正負極材料、高安全性隔膜和電解液方面分別與深圳貝特瑞、星源材質(zhì)和中科院過程所簽訂戰(zhàn)略合作（合資）開發(fā)協(xié)議，并與北汽新能源簽訂了產(chǎn)品推廣戰(zhàn)略合作協(xié)議。此外，項目團隊成員中信國安盟固利電源技術(shù)有限公司、張家港市國泰華榮化工新材料有限公司、深圳吉陽智云科技有限公司、北京理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等都是新能源研究領(lǐng)域的優(yōu)勢單位，研發(fā)團隊的組成具有良好的互補性，體現(xiàn)了交叉學(xué)科的優(yōu)勢結(jié)合。

6 技術(shù)挑戰(zhàn)與風(fēng)險

從技術(shù)層面，高比能與高安全永遠是動力電池需要取平衡點的話題，高比能電池是建立在高安全的基礎(chǔ)上的，本項目從多角度規(guī)避高鎳材料熱穩(wěn)定性較差的缺點，從系統(tǒng)上提高電池安全性，實現(xiàn)高比能電池的高安全應(yīng)用。

從政策層面，在新能源汽車鼓勵政策持續(xù)刺激下，市場需求倍增。同時電池進步能有效降低能購置成本和增加電動汽車的續(xù)航里程，而基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進一步提升充電便利性，這兩個循環(huán)加快純電動轎車進入家庭的速度和規(guī)模發(fā)展。與此同時，工信部出臺乘用車油耗管理規(guī)定，2020年平均燃油消耗量限值目標為百公里5 L，結(jié)合正在研討制定的積分制，這些政策均在刺激企業(yè)發(fā)展新能源汽車，綜合來看肯定可以實現(xiàn)2020年達到200萬輛新能源汽車銷量的目標。

從組織和資源層面，項目申請單位國軒高科已經(jīng)與北京新能源汽車股份有限公司、深圳市星源材質(zhì)科技股份有限公司等參與單位形成戰(zhàn)略合資關(guān)系，與華中科技大學(xué)、張家港國泰華榮化工新材料有限公司、中國科學(xué)院過程工程研究所、深圳吉陽智云科技有限公司、深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司等都有良好的戰(zhàn)略合作關(guān)系，此項目更聯(lián)合了北京理工大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、中信國安盟固利動力科技有限公司等單位，初步形成了國軒高科產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，為國軒高科從產(chǎn)業(yè)鏈角度提供全方位技術(shù)支持，打造一條國際領(lǐng)先的新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。

最后，國軒高科作為國內(nèi)A股第一家動力電池上市公司，貝特瑞、國泰華榮、中信國安盟固利、星源材質(zhì)、吉陽智云等公司均為實力雄厚的電池行業(yè)領(lǐng)頭企業(yè)，能為項目的順利推進提供強有力的資金保障。

7 項目預(yù)期效益

以本項目實施為切入點，形成以動力電池制造企業(yè)國軒高科為核心的產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，從動力電池產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，趕超國際先進企業(yè)，實現(xiàn)中國動力電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級。在材料正負極系統(tǒng)匹配方面，依托于“互聯(lián)互通惰性氣氛材料綜合測試平臺”，為鋰電池材料及電池提供“一站式”的檢測分析，從界面技術(shù)角度為電池的深層機理分析提供指導(dǎo)。動力電池生產(chǎn)線上設(shè)計研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的動力電池全自動裝備，并達到國際領(lǐng)先或先進水平，改變國內(nèi)動力電池高端裝備依賴進口的現(xiàn)狀，結(jié)合基于模擬仿真技術(shù)的電池工程設(shè)計，打造一條國際領(lǐng)先的電池制造生產(chǎn)線，同時建成年產(chǎn)5000噸高鎳正極材料和1000噸硅基負極材料生產(chǎn)線。結(jié)合國軒高科與北汽、上汽、江淮等整車企業(yè)形成的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，本項目將在項目結(jié)項時向市場推廣至少5000套的高比能動力電池系統(tǒng)。擬建成10億瓦時電池生產(chǎn)線，帶動動力電池上下游企業(yè)產(chǎn)值超過100億元，有效促進和優(yōu)化新能源產(chǎn)業(yè)的進一步轉(zhuǎn)型升級，培育新的經(jīng)濟增長點和國際競爭優(yōu)勢。

Project “development and application of lithium ion batteries with high specific energy density”

YANG Xulai, CHEN Houmei, GAO Er’ping

(Institute of Science and technology at Hefei Guoxuan High-tech Power Energy Co. Ltd., Hefei 230011, Anhui, China)

Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China (MOST) initiates national new energy vehicles pilot project in 2015 for next 5 years. Totally 19 projects are announced in 2016. The project 1.2 is a 5-year fundamental research type project (2016—2020), aiming to increase the energy density of EV batteries and to promote the batteries into EV market further. Two targets are purposed: 300 W·h/kg for Li-ion batteries and more than 1000 EVs using the batteries in the market. After 3 rounds review and defense, a team led by Hefei Guoxuan High-tech Power Energy Co. Ltd. wins the project. The title of the project is “Development and Application of Lithium ion Batteries with High Specific Energy Density”. Scientific problems and technologies will be studied: system matching of high nickel cathode and Si-based anode to achieve more than 300 W·h/kg energy density with >1500 cycle life, multilevel security protection of the batteries during integrated application in EVs. This project includes 6 institutes and 6 companies as partners.

high energy density Li-ion batteries; 300 W·h/kg; multilevel security protection

1012028/j.issn.2095-4239.2017.0030

TM 911

A

2095-4239（2017）05-1145-03

2017-03-24。

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB0100300）。

楊續(xù)來（1983—），男，博士，高級工程師，研究方向為鋰離子電池相關(guān)技術(shù)，E-mail：yangxulai@gotion.com.cn。