在2022CHPB-5，Session2“先进高功率电池应用及市场发展趋势”分论坛主题上，来自中电科新能源有限公司，曹领帝博士，做了“高功率电池产品及面临挑战”主题演讲。

中电科新能源有限公司，曹领帝博士

曹领帝：谢谢肖总的介绍，大家上午好！我是曹领帝，来自中电科新能源有限公司，今天很荣幸跟大家分享一下电科能源对高功率电池产品开发的理解以及近期在高功率产品开发方面的工作。

今天的报告最主要的内容是两部分，第一部分介绍一下我们对高功率电池的理解和产品开发的设计思路，第二部分向大家展示一下近期对于高功率电池，包括启停和HEV和钠电等产品、涉及三元、磷酸铁锂和钠离子体系等产品开发方面的内容。

首先简单介绍一下背景。在全面电动化的背景下，我们加速了对高功率电池的需求，从应用端来讲，大的分类高功率电池可以主要用于消费类的家用电动工具和车用的12V、48V的应用，还有无人机、民用的特种电源，还有一些是军用方面，把它叫做特种场景应用，都是对高功率电池有一个巨大的需求。针对不同应用场景，就对电池的power density和energy density等技术指标有相应的要求，那么相应的方型、圆柱和软包等电池形态可以满足不同的应用场景。那么电科能源也针对上述不同领域客户的需求，进行相应的高功率电池技术突破和产品开发。

首先简单介绍一下背景。在全面电动化的背景下，我们加速了对高功率电池的需求，从应用端来讲，大的分类高功率电池可以主要用于消费类的家用电动工具和车用的12V、48V的应用，还有无人机、民用的特种电源，还有一些是军用方面，把它叫做特种场景应用，都是对高功率电池有一个巨大的需求。针对不同应用场景，就对电池的power density和energy density等技术指标有相应的要求，那么相应的方型、圆柱和软包等电池形态可以满足不同的应用场景。那么电科能源也针对上述不同领域客户的需求，进行相应的高功率电池技术突破和产品开发。

提到高功率电池，我们首先关注的就是功率密度，我们相对应的想到高能量密度。这张图显示的是高功率电池和高比能电池这样看似有一个对应，或者相对矛盾的关系，相信在座的各位专家也面临一个问题，就是怎么去平衡高功率和高能量密度的需求。比如对于高功率电池，我们希望电极涂布要薄，较低的压实来保证一定的空隙率，同时又考虑到在大倍率充放电时极片的膨胀，所以我们的装配比要低一些，而高比能电池与高功率相反。我们面对不同客户或者不同应用场景实际产品开发的时候，需要平衡高功率密度和高能量密度的关系，在前期材料的选择、体系的优化、电池结构和极片设计方面做一些相应的平衡，最终我们考虑P/E是20、30、50甚至更高，在这样的思路下开发相应的产品。

对于高功率电池和高比能电池都一样，最主要的还是材料，材料选择决定化学体系或者整个电池的性质，其次电池单体或者是Cell级别来讲，各种材料放在一起的化学体系适配性非常重要，比如功率型电池SEI膜的构建；最终设计和生产的时候，生产工艺和极片通过一系列设计的优化、结构优化，极片的尺寸和位置提升工艺性能，这是几个不同维度来提升电池的功率性能。

那我们从微观尺度，看看功率的限制因素是什么？当前大多研究表明电荷传输的动力学特性是最主要的因素。我们进一步看，作为一个Cell来讲是一个小小的系统，里面有锂离子和电子，从导电网络传输，涉及到液相和正负极，有扩散和传输，进一步分析怎么样提供工艺密度呢？从理论的角度分析，power与工作电压、容量、时间都有关系。对于时间这个具体就是指扩散和传输的时间，进一步分析电压，我们知道大功率充放电的时候有极化的产生，有一个过电压，实际上有这个基础理论之后，我们就想如何去减小过电位，这个地方最主要的影响就是固相扩散、液相传输、界面转移，我们怎么做呢？电解液要提高电导率，提高液相扩散系数，以及迁移数，还要解决锂离子溶剂化和去溶剂化的问题；还要考虑极片和隔膜的厚度等等方面着手。同时对于固相扩散来讲，对于锂离子我们选择小粒径的颗粒，同时形貌要完整，材料晶体结构选择等，包括负极我们选择各项同性的材料都是为了最终提升锂离子扩散的速率。

基于以上分析，我们团队对于高功率电池产品设计开发的思路分为三个层级和维度，首先最重要的就是材料，根据高比能量选择正负极材料、电解液等等，其次我们把各种材料放在一起，有一个化学适配性的原则，所以我们要根据实际客户的技术指标或者技术要求来优化，也就是说怎么搭配最合适，最合理。在这个基础上还要对电极，以及整个产品的结构进行优化，包括孔隙率、温升、生产工艺，也就是说什么样的工艺、使能量密度和功率密度达到最佳的状态，这是我们对于功率电池的理解和设计思路。当然在整个过程当中要解决一系列的科学问题，比如经常遇到的功率电池在低温下运行的时候会析锂，对那么于析锂边界的探索是很关键的，同时对界面行为来讲，如何构建致密而且薄，对高功率输出友好的界面，同时也需要对长寿命如何评价，或者加速这样寿命评价的策略等等都需要开展一些工作。最终目标是开发出高功率输出，兼顾长寿命、高安全，能量密度的电池和产品。

以上是我们对高功率电池的理解和设计思路，接下来我向大家介绍一下近期我们开发的一些高功率产品，按体系来讲有三元、磷酸铁锂，还有近期开展的钠离子电池产品，从形态上有软包和方型产品。

第一个是NCM111体系，产品最开始面向48V、HEV或者是一些叉车其他特种场景的应用，最关键的技术指标就是有很高的安全性，要求3C下200%的过充，针刺，还要满足30C-50C倍率性能，还要兼顾低温和超长寿命保证，我们在材料选择、体系优化和和工艺等方面做了很多的工作出发开发这款产品。这款产品是NCM111搭配石墨的化学体系，能量密度接近110Wh/kg，功率密度是5000W/kg以上，可以支持50C放电70s，同时也有按照USABC的-30℃低温冷启动测试。这款产品还是比较不错的，我们可以通过3C 200%过充以及针刺的测试，在循环这块我们按照功率电池3C满电充放常温和高温都有测试，分别在在5000次、3000次以上。这个地方展示的是我们跟HEV轻卡客户合作，这是装在发布的轻卡样车上面的电池包。从客户的反馈来讲，在当时的情况下市场的反馈还是不错的。这是整体的测试数据，包括倍率充放电3C的容量保持，还有3C满电充放和45℃的循环。右下这个图主要是为了配合HEV轻卡的使用，我们进行了5C充、6C放的工况测试，达到了2万次以上80%容量保持率。

为了进一步降低成本，同时从提高能量密度的角度来讲，我们进行了NCM523体系的产品开发，还是从材料端入手，尤其是正极我们主要是选择中空结构的正极材料，这个材料就是为了加快和锂离子的脱嵌，同时增加电解液与活性材料的接触面积，提升锂离子的传输，提高功率性能和低温性能。我们做了一个10Ah的方型产品，进行了倍率充放电测试，包括冷启动和循环，也是通过了3C过充和针刺的测试。这个523可以明显看到循环相比111有一个缩水，但是能量密度相比上一款产品有较大提升。其实我们现在还做一个NCM622的30Ah产品，目前也是为了进一步提高能量密度，充放电倍率在30C以上，预计2023年完成产品设计定型。

接下来向大家展示一下磷酸铁锂体系高功率电池的开发进展，最初的技术来源也是面向乘用车12V或者是商用车24V启动电源做的工作，最明显的指标要求35C倍率，同时要求低温下有充放电的能力，那么车厂对于成本的要求非常苛刻，我们选择了磷酸铁锂体系，从超高功率性的开发要求，选择材料粒径在100nm以下的正极颗粒，来提升锂离子的扩散和电子迁移，同时考虑低温性能。负极端来讲，光有石墨是不够的，在低温下的充电肯定会出问题的，所以我们采用石墨和硬碳复合的负极，把石墨的高能量密度和硬碳充电“零应变”优势结合起来，来满足磷酸铁锂体系在大倍率充放电和低温下使用的场景。

我们选择纳米级磷酸铁锂，做电池的都知道颗粒非常小、比表面积非常大，纳米材料对环境的要求非常高，在匀浆前期特别容易出现团聚，非常不好匀。所以我们采用一些双亲的分散剂，就是为了更好地达到均一的浆料，同时也考虑低温和倍率性能选择了一些短线和长线复合型的导电剂，想形成多维的导电网络，便于离子传输，降低极片的阻抗，尤其是提升低温下的电池性能。这块工作做的是Ah级别的，电芯的容量3Ah左右，有前期的循环数据，也进行了安全的测试，我们也是针对尺寸上进行软包产品的放大，目前已经有30Ah电池产品。

第三部分介绍一下钠离子电池方面的工作，钠离子的优势就是成本和低温性能等方面，我们在钠离子电池领域也做了20Ah-90Ah，包括软包和方型等一系列产品的开发。这里展示的是70Ah方型产品的基本参数，我门选择的是层状氧化物和硬碳的化学体系，电池能量密度达到100Wh/kg，可以看到冷启动的测试结果很不错，同时也通过针刺的测试，从这个测试前后的照片可以看到没有任何问题。

刚才讲到我们开发了一系列的钠离子产品，从20Ah到90Ah，目前已经有一些应用，比如说起动电源，12V起动电源是是两并的电池系统，在两轮车电源上是一并的48V电源系统，在观光车用95Ah的电池，最后是储能基站的电源系统，还有一些军工场景下用的，这里不方便展示。 

以上是我高功率产品的介绍，最后简单总结一下高功率电池技术突破和产品开发上的感受和建议。

第一，在高功率电池开发过程中发现界面确实是十分重要，同时寿命和安全是痛点，那么一些客户在追求功率密度的时候，对高能量密度也是有要求的，因此安全方面如3C过充或者针刺的测试是非常难通过的。此外做产品的容易忽视的点就是锂离子有一个溶剂化和去溶剂化的过程，这个决定了锂离子的迁移和传输的能力，我们以后还是要加强这部分的工作。

第二，功率型电池由于市场的volume相比能量型电池还是相对比较小，所以原材料不论是正负极还是膈膜成本是比较高的，那么包括人造石墨能否用天然石墨替代，包括解决安全问题的时候，是否有复合的膈膜或者铜铝箔材解决过充和针刺，如何降低成本，也是功率型电池开发的一个考验。

第三，极限制造如超薄涂布电极到底多薄合适，兼顾工艺密度和能量密度的时候，能涂多薄？同时无人机的应用一般采用软包，形式非常多，目前没有一个比较明确的对于无人机高功率电池的测试和规范，型号也是非常多的。

第四，所谓“双高”高能量密度加高功率密度电池，比如说无人机和特种场景的应用，追求高功率密度的同时要求高能量密度，那么安全如何解决，这也是重要的市场，我们也在做“双高”电池，这也将是未来重要的一个细分市场。

第五，不一定是高功率电池，在电池开发过程中，我们面对大量的材料、工艺参数，我们是否会通过高通量或者是机器学习，或者是数字孪生先进的技术，对于后期产品或者材料筛选，或者是体系的搭建以及产品的开发上面，我们需要借助先进的AI手段助力高功率电池产品开发，提升实验的成功率，缩短开发的周期。

以上是我今天报告的全部内容，谢谢大家！