在锂离子电池及系统分会场上，中电科蓝天科技股份有限公司的刘恋部长做了题为《宽温域高安全锂电池技术进展》的演讲。今天我就宽温域高安全锂电池技术进展给大家做一个汇报。按照化学体系划分，锂电池主要包括锂离子和锂金属两个技术路线，2024年上半年出货的锂离子电池的能量密度已经达到365 Wh/kg，锂金属电池的能量密度为550 Wh/kg，我今天主要讲锂离子电池这部分。第一部分，我先简单介绍一下典型产品。第一种是高比能系列，今年上半年批量出货的锂离子电池能量密度已达到365 Wh/kg，单体的容量是38 Ah，同时具备2 C的放电能力。第二种是固态电池，这里指的是半固态电池，通过阻燃凝胶电解质的开发以及安全涂层技术，现在单体容量80 Ah、能量密度350 Wh/kg可以安全地通过针刺测试。第三种是柔性电池，现在国内做柔性电池的单位不超过3家，我们现在有两个代表性产品，第一个产品能量密度230 Wh/kg，可以在R50半径上连续弯曲5 000次，容量保持率大于90%，第二个产品是能量密度更高（275 Wh/kg）的在R50半径上连续弯曲2 000次的电池。
第二部分讲宽温域电池的研究进展。民品电池，无论是动力电池，还是储能电池，使用的温度范围通常在-25 ℃到60 ℃的温度范围，但是对于我们航空或者极端条件的应用是远远不够的。宽温域电池有三个主要的特点，第一个是极限的温度范围，目前低温要求已经提出-70 ℃，高温到了85 ℃；第二个特点是高安全，民品电池国标测试里面已经不再要求过针刺了，但是在军品电池领域高安全性和高可靠性是非常重要的，因此针刺、热箱等等安全测试都是要求可以通过的；能量密度是第三个特点，现在都在走高能量密度的路线。对于宽温域电池，最主要的技术难点在于如何确保低温动力学的同时，保证高的热力学稳定性。在锂电池里面，电解液是唯一存在液态的部分，对于这一部分最主要的核心问题是怎么解决电解液的问题，比如说极低的温度，在于反应能力比较高。在这个部分，电解液部分应该做的是选择低凝固点的溶剂组合，通过做低阻抗的界面调控，对于高温一个是保证在高温条件下电解液的组成热稳定性好，另外一个是进行很好的正极保护，形成一层稳定的CEI膜，如何平衡这两个矛盾点，在于电解液的配方技术，我们突出的设计原则是平衡的原则。商品化的液态电解液组成部分由以下三个部分组成。占比最高的是占80%的溶剂部分，因此溶剂种类的选择以及比例调控是解决宽温域问题的核心，常见的商品化的溶剂主要有两大类，一类是碳酸酯类，一类是羧酸酯类。碳酸酯的特点是高温稳定性比较好，沸点比较高，但是相对而言，缺点就在于熔点偏高，比如说EC的熔点是36.4 ℃，在常温条件下是固态，低温性能较差。相对于碳酸酯，羧酸酯熔点比较低，沸点也比较低，所以低温性能较好但高温稳定性不好。如何把碳酸酯和羧酸酯用好，采用什么样的比例，为了解决这个问题，我们搭建了一套高通量实验平台，我们用小型化、自动化机器去取代人工做实验，提高实验效率以及准确度。
首先是电解液自动配液系统，现在拥有7个液体通道，五个粉体通道，可以做百毫升级别的电解液自动配置。扣电自动组装系统主要取代人的手工制造，提高扣式电池的一致性。我们都知道人手工做扣电的话，每一层和每一层放的位置都不一样，所以一致性非常差，全自动组装系统具有中心对准功能，可以保证批次稳定性，提高测试准确度。我们通过高通量实验平台进行电解液配方DOE实验，最终确定了合适的溶剂配比。我们看两个典型的宽温域锂离子电池产品。第一个产品是温度范围从-55～85℃，在改善之前，-40℃放电的时候，低头电压非常低已经接近2V，通过溶剂比例调整之后，可以看到目前电压提高到3 V，-40℃低温放电容量保持率可以做到87%；-55℃可以做到79%的容量保持率，同时在70℃下存储30天和85℃下存储5天都有不错的表现。含有羧酸酯溶剂的电解液通常循环寿命都会受到一定的影响，这款对含量做了精准的调控之后，循环寿命没有受到明显的影响。第二个产品温度范围是-70～70℃，这一款对低温性能有了更高的要求，所以对溶剂配比多了进一步的调整，-70℃温度条件下0.3 C放电，达到59%的容量保持率，915次循环后还有84.7%的容量保持率。高温在70℃温度条件下存储48小时，在调控之前有明显的产气鼓胀，通过两轮电解液配方的调整之后，最后可以达到70℃下存储两天软包电池完全不产气。
第三部分讲高安全性方面的研究进展。我们在高安全性部分主要的策略还是添加阻燃剂，也是目前可以证实最有效的液态电解液提高安全性的方法。在实际使用的电解液里面添加了不同含量的阻燃剂，可以看到加到6%的时候，测不到闪点了，说明单体已经达到不易燃烧的效果，在实际的点燃实验里面，用易燃物蘸电解液点燃，我们看到6%的添加量点燃时间较短，同时自熄灭时间较长，还不能确保安全可靠，因此对阻燃剂的添加量进行了进一步优化。除了安全实验，同时还要考察电性能，由于阻燃剂本体的特性，高温循环性能会有一定的提升，相对低温的放电性能以及阻抗有相应的升高。我们通过上面这些实验，对阻燃剂的用量进行了精准调控。将高安全电解液用于75 Ah软包电池，能量密度为345 Wh/kg，目前可以通过针刺实验，同时短路、过充、挤压、热箱等安全测试都可以通过。针刺实验不是一只电池通过，而是每天每批次随机抽取都可以通过，保证100%通过率。把宽温域和高安全性相结合，我们现在有一款安全级别最高的电池，这款电池除了拥有较好的低温特性之外，在安全性方面有非常突出的特性，除了能过针刺之外，还有更严苛的军检测试。未来2-3年，我们规划锂离子电池要做到420-450 Wh/kg的能量密度，锂金属电池做到600 Wh/kg以上。宽温域方面，我们会向更低温度、更宽温域探索。高安全性方面，之前我们看到的345 Wh/kg能量密度的电池可以通过针刺，后面也会对360 Wh/kg以上能量密度的电池做安全改善。目前来讲，我们在电池体系以及电解液体系已经做到非常极限了，未来我们应该更多依靠更先进的技术和更新的材料做更多的突破。为了更好地实现新技术的测试，我们搭建了高通量平台，目前拥有高通量计算平台、扣电实验平台、软包实验平台以及原位分析平台，可以更好、更精准低进行新体系开发。未来除了在计算和实验数据上获取有用信息，我们更要重视对数据库技术的利用，在数以万计的数据中，依靠人工智能、数据挖掘、机器学习这些先进的技术，将数据串联起来，让数据不再仅仅是科学研究的结果，更要成为科学研究的活的基础。
