拓邦锂电陶芝勇：储能电池设计和工艺发展趋势

陶芝勇：各位专家，各位嘉宾，各位同行，下午好！非常高兴和大家分享一下我的演讲题目《储能电芯的设计和工艺发展趋势》。 

 开篇先提出我的小观点，未来储能电池是往大容量、低成本、高安全和长寿命的方向发展。当然，前一段时间欧阳院士提出了大容量的铁锂电芯有爆燃的风险，但我们认为大方向是不会变的，留给我们的技术难题需要各位一起努力去解决。 

围绕着储能电芯的三大核心指标，我们该做哪些选择？我从以下几方面去做一个分享：封装方式、电芯结构、工艺、充放电方式、材料体系和控制方法。 

首先分享一下封装。方形电芯，这在储能里尤其是大储能里，是占绝对的主导地位，因为它固有的优点，首先是容量可以做的很大，相对成本也比较低，寿命是排在相对前面的。方形储能目前的情况，主要是大家的型号没有完全统一，但是随着280Ah的出现，大家选的大储能型号基本都一样。我在这里主要是希望大家做一个探讨，将来我们的铝壳电芯做更大以后，可能要考虑一下尺寸效应，就像欧阳院士提到的，电池做大以后要规避一些散热难、内阻大、循环差的问题。所以我个人更倾向于以后可能要做成类刀片电池或者说双头极柱的，或者两者结合起来。

圆柱电芯，圆柱在容量不大的储能系统里还是有它的独特优势的，尤其这两年大圆柱电芯的工艺得到了很大的提升。我们现在看这种全极耳工艺已经比之前的18650或21700这种单极耳、双极耳有很大的提升，主要的提升是导流和导热能力。得益于工艺的发展，大圆柱在很大一部分储能系统里得到很大的推广，它也有它的局限性，由于注液方式的原因，电解液得用特殊的溶剂，因为圆柱厚了以后，注液特别困难。 

软包电芯，它的独特优点就是能量密度可以做到特别高，在三类封装方式里，能量密度是最高的。另外，它还适合做大倍率或超大倍率放电，尤其是超过30C以上的，非常适合软包。软包的主要问题是成本确实比较高，整个工艺略复杂，而且PACK的成本相对比较高，要给它做支架，做刚性处理。所以目前来讲，国内拿软包电芯做PACK或者储能的不多，派能是其中一家，其他的可能选择的不多。 

 我们拓邦三种电芯都做，所以我们内部做了一个小结，我们认为在储能电芯方面，尤其是大储能，还是方形铝壳略占优，其次可能是圆柱，这个图的对比是给大家分享的结果。从经济性和安全性以及性能的分析，我们得出这么一个结论。 

接下来，给大家分享一下材料方面的选择。刚刚嘉宾也介绍了动力电池方面的一些情况，我们在过去的十年，不管是动力电池还是储能电池，都在追求高能量密度的路上走了很远很远，从最早的111三元体系，到523、622、811，做到极致就是“高镍+硅碳”，再加上固态电解质，能量密度可以到400wh/kg以上。另外还有一种选择，就是把高镍这个体系降下来，选择镍55这个体系，为什么这么选呢？因为高镍材料确实能量密度很高，但是安全性来讲，要比其他体系略差，所以业界还有一种选择，就是做单晶化的镍55体系。因为多晶的三元，它有一个问题，就是在循环过程中不可避免的产生晶界分裂，会带来安全以及寿命上的问题。 

磷酸铁锂电池，我们从这张图上可以看得出来，它的热稳定性确实要比三元体系好很多，纯材料来讲，它的分解温度要比三元体系高很多。可以看得出来，最右边的图，在热箱实验里，在180度的情况下，铁锂体系基本上不会产生热失控的现象。 

再看安全，从目前大部分行业内或者国标的测试来看，铁锂的通过率是最高的，所以目前来讲如果是做储能的话，如果从安全的角度上来讲，磷酸铁锂依然是一个最优选。 从最近这几年的铁锂体系来看，大家主要还是追求高压实路线，目前行业铁锂的压实可以达到2.65左右，前几年还是在2.4左右。铁锂原材料的厂家现在经过努力以后，把烧结工艺提升之后，可以基本上满足铁锂能量密度最大化的要求。 

 给大家介绍一下这两年比较火的磷酸锰铁锂，它在我们公司也做过了规模化的中试，我们给它的结论是能量密度确实很高，比铁锂高20%左右。理论上它是可以提高25%，但是实际上由于现在国内的供应商对铁锰的配比还有一些差别，加上它主要提高的是平台电压，所以可能感觉不明显，但我们认为它是储能体系的一个有潜力的后备。磷酸锰铁锂可能还要解决放电曲线对用电负载的问题，一般用的话，要和三元铁锰锂或者锰酸锂去混配，对这个曲线做一些优化的调整。我预估可能在明年或者后年，磷酸锰铁锂的产品会有一定的规模。 接下来再讲一下在储能体系钠电的应用场景。我们公司对钠电储能研究已经有几年的时间，其实钠电有几个优势，首先它的成本可以做的很低，从理论上来讲，它应该是可以比铁锂要起码降低成本30%以上。从它的技术路线来看，目前国内基本上是选择层状氧化物为主，普鲁士蓝和普鲁士白比较少。负极基本上就是硬碳，但是硬碳在过去的十年内，国内的硬碳技术进步不是很快，但是这两年硬碳研发和产业化速度明显加快，是因为过去的两年碳酸锂的价格涨的太快，让锂电行业的成本压力巨大，你继续做可能亏本，不做订单又不能交，所以催生了钠电的加速。

目前钠电里进步最快的是硬碳和层状氧化物，目前国内能量密度可以做到160wh/kg，循环寿命可达3000次左右。离我们对储能的要求还是有点差距，所以钠电我们还得观察，可能到今年年底到明年。 我简单讲一下结构设计方面的关键问题。现在的储能电池往大容量做的话，基本上是异端极柱，它的主要优势是散热和温升。从这张图可以看得出来，左边的图是异端极柱的，它的平均温升比同端极柱要低很多，像这种结构设计，基本上是业界比较认同的，在长宽比接近1，或者极柱越宽、极耳越宽的设计，是比较有利散热的。 现在业内都普遍应用的隔膜涂胶和极边涂胶，目的就是散热和去除毛刺，提高电池的一致性。 接下来和大家分享的是储能电芯方面成本的控制。

从这个结构图可以看得出来，这里面成本最大的就是正极，极端的情况下，可以占到57%，碳酸锂那个时候最高达到了60万/吨。现在降下来了，但占比最高的还是正极。其实我们降本的手段无非那几种，性能满足就好，不要过剩，用标准化来取代定制。因为做定制得有一个逐步爬坡的过程，还得有一个规模化的过程，所以定制比不上标准化，尽量用简单的结构取代复杂的结构，减少物流成本，从而达到电芯降本的目的。 第二是做减法，这就有很多方案了，刚才嘉宾也提到了CTC和CTP，去掉中间环节，去掉过多的导电剂，去掉不必要的电解液用量。为了减掉百分之一的用量，可能做很多试验。因为电池里要减一些东西，得考察它的寿命，所以其实电池厂大部分的开发时间就花在观察和反复验证的过程里。 给大家分享一下储能电池的寿命优化。目前来讲，从我们这次的储能大会也看得出，目的都是为了提升电芯的性价比，降低电芯生命周期的成本。这里面最关键的就是要把电池的寿命做高，这样生命周期内的成本就会低。如果你要做工商储，电池寿命没有万次以上，可能成本就控不下来，甚至亏损。 电池的寿命提升，在我们这20年的锂电发展史上，提高的确实比较快，早期的锂电池寿命就是300次、500次，三元为500-1000次，铁锂最早为1500次，现在最高可以达到万次以上，这离不开材料厂的努力，离不开电解液厂的努力，离不开设备精度和自动化的提升。

特别指出的是，我们往往忽略电池结构设计的影响，电芯做好了，但一致性没有做好，PACK结构没有做好，都会影响对电池的寿命。从我们整个对储能电池的开发来看，影响的无非就是几个：材料、结构、一致性，这是大头。根据方形、圆柱、软包的不同，调整方向还不同，每种电池的侧重点会有一些相对的区别。 谈一下我们公司现在正在做的一些有利于提升储能电池的措施，包括细到充放电的方式，很多头部企业可能也在用。也就是说，充电的时候，如果在初始阶段能够用大电流，在快充满的时候用小流量去补充，这样会相对提高电池的寿命，这就要求电池的系统设计里对充电方式做一些微调。

实际上它的基本原理很简单，当时充电的时候，快充的话，浓差极化是基本上没有，快充满的时候，从电化学的角度来讲，浓差极化就成了一个主要的控制方式，把电流减小，就有利于减少电池的损耗。 再和大家分享一下储能电池容量做大的一些优势和要避免的风险。这两年电池厂包括头部企业的电池是越做越大，都是基于一个思想，就是为了降成本，无论是单位面积的壳体的成本，还是PACK的成本，减少接插件，大家都希望把电池做大。但是做大了也有风险，电池做厚，散热不好解决，厚度从30mm做到70，80mm，中间极片的散热肯定要比边上的差，而且很难通过散热来弥补，风道设计也难以消除过大的温差，所以我们要充分认识到这个问题。增加壳体厚度，一是散热困难，降低了电解液量，也有循环不够的风险，把隔膜减薄，有短路的风险，所以做储能电池，不管是设计来讲，还是从工艺来讲，要操很多心。我这里列出的只是风险的一部分，供大家参考。 今天有很多的报告都在强调电芯大尺寸的发展方向，这是业界的共识。大尺寸碰到的各种问题，我们也得坦然面对，怎么样去解决？我认为可能要做类刀片双头极柱的电池，大家都是朝这个方向努力，纯粹的加厚或者一味在某个设计点如堆电极密度，这些都是不太可行的。

储能电池设计的优化方向就是散热、成本以及寿命得到兼顾，所以我们认为未来的方向肯定是这样。 我再和大家分享一下将来储能电池制造的工艺趋势。首先，制造趋势基本上是往自动化方向走的，数字化和高精度是自动化的基础。我们做电芯做了这么久，40%的异常发生在前端，从配料到制片，这几个工艺做好了，后面的工艺基本没有严重的异常或者说异常比较少。 对电池前段工艺里的搅拌，我认为将来的趋势一定是连续制浆，它的好处就是可靠性、效率都得到很大的提升。因为现在传统的方式是一种概率性的搅拌，每次搅拌的概率和效率是比较低的。 这是连续制浆的原理和设备。 涂布，从锂电发展的情况来看，从最早的单面涂布到现在普遍普及的双层涂布，将来也会发展到双面涂布。其实我们现在主要的设备厂都提供了双面涂布，但目前普及的还不是很高。好处是显而易见的，速度快、效率高。 激光模切也是一种趋势。 

 下面提到电池最头痛的就是杂质和毛刺控制。 我再讲一下设计里的叠片和卷绕，对储能电池来讲，尤其是方形，70%以上都是选择卷绕。卷绕有它的问题，大家可以看这张图，不管你怎么做或者采取怎样的压芯工艺，总会有变形，那种变形在小电芯或者薄的时候不明显，但是做大做厚了以后就会有这样的问题。大家看到右下角，它这种形变会带来电芯充放电过程中，锂的迁移的边缘化效应，会带来循环过程中的膨胀力的差异。如果你是做叠片，你会发现电池在循环中的膨胀力要比卷绕的小很多，这是力的影响。所以为什么现在有的锂电企业在储能电池做大了以后，它要选叠片，就是综合考虑，除了制造效率的问题，还有性能以及后期膨胀力的问题，膨胀力如果控制不好，就会把整个成品结构性的破坏。 储能电池以后的工艺发展趋势，我认为最重要的是一体化制造，其实现在大家基本上都实现了，就是把几个关键工序通过一体化设备串在一起做整合，来提高效率，减少物流。

同时，未来还可能会在某些工序上做减法，除了设计上做减法，还要制造的工步做减法，可能以后就没有搅拌了，就用干粉电极，直接通过喷溅的方式或者压制的方式，把电极全部压在箔材上。甚至有可能一致性做好了，电池就不分容了，因为分容没有太多的经济价值，如果容量的一致性的非常好，CPK达到2.0以上，取消分容是有可能的。 另外，将来电芯的制造或者说成品的制造，都会逐渐普及视觉监控或者视觉纠偏，会大大提高制造的效率。将来锂电的制造可能在将来有新的优化方式可选择，例如三维模拟生产等等，包括能耗，能耗在十年间已经降了30%，而且应该还会继续往下降。 接下来我简单介绍一下我们公司-深圳市拓邦锂电池有限公司。

拓邦锂电现在已经实现了连续制浆，一体化制造，环保工厂和节能工厂。在材料体系上，公司主要为磷酸铁锂，将来会把钠离子和磷酸锰铁锂做下一代的评估。 在电芯的应用领域，小容量的储能产品适配大圆柱电芯，公司目前生产的33140-15Ah，40140-20Ah的大圆柱电芯，可以完美匹配0.5kwh-3kwh的便携储能产品，整机寿命在2年以上，Pack体积比较小，性价比高。 

 拓邦锂电用于储能的大容量的方形电芯，设计寿命都在10000次以上，温升低，0.5C放电小于1度，1C放电小于5度，散热性能较好。100Ah方形电芯可应用在家庭储能产品上，单个模块设计为5.12kwh，根据不同用电需求串并成不同的容量，满足家庭用电需求150Ah方形电芯可应用在工商储能产品上，公司目前开发的100kWh，200kWh的标准工商储机柜产品，均采用的150Ah电芯。 

 拓邦锂电致力于成为国际一流值得信赖的锂电产品提供商，希望与业界同仁就电池技术做更多深入的交流和技术的分享，感谢大家！