330Wh/kg高能量密度电池技术解析

2021年4月1日，孚能科技（赣州）股份有限公司发布公告指出公司研发出可达到330Wh/kg高能量密度电池。本文根据自己的电池设计经验和公开资料对330Wh/kg高能量密度电池技术进行解析。

孚能科技总部在美国能源部的资助下，从2017年开始开展一项电动汽车用的高能量密度电池项目。项目重点在于解决实现高容量、长循环寿命和更安全锂离子电池的关键科学与技术问题，总体的技术目标为：

▪ 第1年：基准电池，能量密度220Wh/Kg

▪ 第2年：第1代电池（300Wh/Kg）

▪ 第4年：第2代电池（330Wh/Kg）（原定目标400Wh/Kg，降低至330）

为了实现以上目标，首先需要选择与优化正负极材料，在不同正极材料容量（180-240mAh/g）条件下，负极材料容量与电池能量密度的关系曲线如图1所示。为了实现330Wh/kg的目标，采用稳定高镍阴极，容量为200-240 mAh/g；采用硅复合材料作负极，容量为400-600 mAh/g；电解液配方采用氟化溶剂、开发稳定添加剂和锂盐；优化高密度的复合活性材料配方；选择低副反应的导电添加剂、先进的粘合剂配方；采用先进的隔膜：陶瓷涂层、高电压稳定性。

图1 在不同正极材料容量（180-240mAh/g）条件下，负极材料容量与电池能量密度的关系曲线

高能量密度电池基本设计参数如表1所示，基准电池为230 x 160 x 6mm的软包电池，容量为28.5Ah。第一代电池能量密度达到300Wh/kg，采用基准电池一样的尺寸，容量约40Ah。第二代电池容量87Ah，尺寸为294.4 × 100.4 × 14，能量密度达到330Wh/kg。

表1  高能量密度电池基本设计参数

首先，他们采用单片软包电池对大量的正极、负极材料，导电添加剂，粘结剂和电解液等进行了选择与评价。

正极材料评价与开发

电池的能量密度目标是> 330 Wh/kg，评价了6种正极材料，主要是高镍材料，如高压NCM，含有富锂锰基的NCM和高镍NCA等，容量目标＞200 mAh/g，正极材料的容量和首效如下图所示。

负极材料评价与选择

为了实现电池的能量密度目标> 330 Wh/kg，采用硅基负极，比如Si合金，SiO，Si纳米线和Si纳米颗粒，首效需要＞90%。3种负极材料的容量和首效如下图所示。

使用相同的高镍正极材料，匹配3种不同的硅基负极，制作500mAh的单片软包电池。不同硅基负极电池的循环寿命如下图所示，0.5C充电/1C放电 CV C/20 (3-4.2V) @ 30℃条件下，S2电池循环800次容量维持率＞80%。

电解液与粘结剂等

采用不同的电解液和负极粘结剂，电池循环曲线如下图所示。电解液E1，并且加入添加剂，负极不采用CMC/SBR粘结剂的电池循环性能最好。

根据以上信息推断，孚能科技公告的330Wh/kg的高能量密度电池，正极采用克容量大于200mAh/g的高镍正极材料，比如三元材料Ni90，负极采用硅碳复合材料，克容量＞500mAh/g，首效＞90%，负极不采用CMC/SBR粘结剂，可能是PAA基粘结剂。电解液采用氟化溶剂（FEC）、并添加稳定添加剂。电池容量87Ah，尺寸为294.4 × 100.4 × 14 mm的软包电池。