任建国:我是来自深圳贝特瑞新材料股份有限公司的,贝特瑞简单一句话介绍一下,是目前全球最大的锂离子电池负极材料的制备商。
  我今天主要讲一下贝特瑞的研究院在高容量的负极材料这方面最新的开发进展,这里面涵盖了石墨的负极,包括非石墨的负极,主要是软碳、硬碳,还有现在在国内比较热的硅类的负极,最后再介绍一下复合的这样一个理念。
 
  这个是贝特瑞的研究院,目前在高能量密度电池体系方面做的一些开发工作。在正极材料方面,我们现在也在做高容量的、高功率的、长寿命的,特别是高镍的正极材料,主要是镍含量比较高的NCA和NCM,就是811系列或者是镍含量在80%以上的高镍正极。
  在粘结剂这一块,刚才我也问了刚才那位博士,我们现在也在开发水系的粘结剂,这个也是针对高能量密度的负极,或者是正极体系所用到的一些新兴的粘结剂。
  另外是导电添加剂,目前也在做像石墨烯、碳管进行复合的一些添加剂。这个也是为了解决未来在做高能量密度,特别是正极、负极,即便厚度增加的情况下,为了提升导电性所做的一些准备工作。
  负极目前应该是贝特瑞的主营业务。我们在负极这一块除了做传统的石墨负极以外,特别是这种高能量密度的石墨,快充的石墨、膨胀的石墨,不管是天然石墨还是人造石墨,除了这个之外我们也在做一些硬碳材料,除了硬碳之外,我们也有做硅碳、氧化氧硅。像硬碳、硅碳大家都非常的清楚,它理论上有非常高的比能量密度,所以我们把这些作为我们开发的重点。
  首先是石墨负极,这个也是大家要进一步的提升的能量密度,把它的能量密度发挥到极至。现在业内有这种极限石墨的一种说法,英文翻译成这个对不对,我也不知道,这是我自己想的,是Uitimate graphite。石墨的密度也就是在2.2左右。
  这样一个石墨同时还要具有所有的完美的性能,高容量、高功率、低膨胀、长寿命、高守效,包括比较快的吸液特性,这是一个非常理想、非常终极的状态,把它称之为极限石墨我觉得也不为过。
  怎么实现这个极限石墨的这样一个目标?我们想到的可能就是从这样一些先进的技术去实现,包括先进的石墨化技术,晶体结构改善的技术、表面处理的技术、精密分级的技术、纳米造孔的技术,综合这样的技术,去达到极限石墨开发的一个目标。
  下面我介绍几款目前贝特瑞比较经典的,目前主推的高能量密度的石墨材料,一共是6种,三大类,第一类是360系列,360L1和360L2。在快充这一块比较适合于2C到3C,这样一个中等程度的,也就20分钟左右这样一个快充特性的负极材料。
  这两类也都是采用目前业内用的比较多的二次造粒的方式改善它的趋向性,降低它的膨胀。L1相对L2来说容量要低一些,是350的容量,L2是355的容量。压石是1.65到1.75,L2是1.75到1.85。我们通过石墨化度的控制来控制它的软硬,包括不同的压石密度和不同的克容量。L2的石墨化对L1要更高一些。
  第二类是在快充上具有更高快充特性的,就是6C的,10分钟充电的这种负极材料。这个有两个经典的产品,一个是BFC-10,一个是BFC-18,这两类都是适合于6C的快充的人造石墨。它在快充特性这一方面就比前面这一类具有很好的一个快充性能。
  我们使用压石也都是在1.6到1.7,包括1.65到1.75,是分别针对BFC-10和BFC-18的。
  第三类、高压石的,能够实现极限石墨中的一个特性,是1.8压石一大类其中一个典型的材料,360-MB,它的原料是碳维球类的,还有是各LH,这个是可以做到1.8的积片压石去使用。石墨化度比前面两大类也都要更高一些,也就是说它更软,更容易压得下去。
  同时具有高压石的前提下还具有比较长的寿命和吸液特性。
  这两个是属于一次例子,不是属于二次例子。
  简单的介绍一下前面三大类6个材料的电化学性能,这个是360-L1和360-L2,在CCCV充电的这么一个快充特性,L1是20分钟充电可以SOC接近80%,这个基本上跟目前我听到的关于动力市场的快充特性的要求,就是20分钟要求充满80%,是能够满足这样一个市场要求的,360-L2,20分钟可以到83%,这个是CC+CV的,不是横电流的充,只要保证在20分钟内能够充进多少电,这对于用户来说也是需要达到的一个目的。
  L1和L2有一个比较好的循环性能,L1是1200圈,L2是500圈。这个材料是比较适合于电动工具,PHEV和XEV,特别是对于2到3C这种性能上有一些要求的应用领域。
  6C的快充材料,BFC10和BFC18。BFC10可以实现10分钟充电接近82.7%的,同样也是CCCV的快充性能。BFC18可以10分钟实现82.5%,它把时间缩短了一半,但是也可以达到相当的SOC,甚至是更高的SOC的充电特性。
  从循环性上来看,10比18的循环性能更好一些,因为石墨化度更低一些。BFC10,6C充,1C放。
  这两类材料我们认为它是适用于像航模以及无人机,包括这种机器人,这种领域我们认为这两类材料是比较适合的。
  另外是高压石的,360-LB和360-LH,即便是在180的压石情况下也可以保持一个比较好的特性。
  这一大类材料它是比较适合用这种坚固高能量密度和长循环寿命这样的场合。
  刚才讲的是这种传统的负极,是石墨类的负极材料,贝特瑞研究院一直想做一款具有过能量密度的,但是又是非石墨类的负极材料。我们前面2、3年一直在配合客户做软碳类的材料,它有非常好的循环性能,我们不用担心它的低温性能,也不用担心它的低温吸锂,但是唯一的就是能量密度不行。
  软碳这种经典的250、280的是市场上常见的,通过一些元素参杂我们可以做到300,甚至更高。做到300这个水准上基本上已经不敢再把参杂量提高了,再提高的话高电压平台就出来了。
  从我们这个角度来看,我们一直想开发一款具有高能量密度的非石墨的负极材料,我们把着眼点放在了硬碳上,我们之前也开发过,但是以前有成本的,这个跟原材料有关,目前我们是把重点放植物类的,因为我们也有开发活性炭的经验。我们希望利用硬碳大的碳层的间隙和无定型的结构来提升锂离子在其中传输的速度,从而使它具有比较好的循环性能、低温性能,同时还具有过能量密度的一个特性。
  刚才说的这些都是优点了,缺点其实也很明显,一个是它跟软碳有点类似,首次效率不高,现在几乎都不敢想象它能不能做到石墨的这种水准。导电性不好,它的内部空隙非常多,材料跟材料之间的接触是有欠缺的,所以说它的电子传导在内部也不好,我们是通过两种手段,一种是通过表面改性,通过内部参入这种导电性的材料,来提升它的电子传导的能力,从而解决他现在面临的一些问题。
  这个是贝特瑞研究院现在一款经典的硬碳和一款经典的软碳材料性能的对照,BCS是硬碳,不SHC是软碳。和它相对照的我们现在有一个300容量的高容量的软碳,软碳是85%左右。从这个曲线上来看,它跟石墨相比也有非常大的区别,石墨还是三级、四级平台一个非常平缓的区县,软碳、硬碳都是非常陡峭的一个充放电的曲线。
  从这个性能角度来讲,使用硬碳比使用软碳会进一步提升电池的能量密度。
  这个是我们自己做的电池,也是用纯的软碳和纯的硬碳来做圆柱电池。
  用纯的软碳我们可以做到140瓦时每公斤,硬碳可以做到160瓦时每公斤。18650的尺寸是限定的,从这一点来看是可以提升它的能量密度的。
  在6C充电10分钟的话,这个也可以实现SOC93%、94%这样一个性能,这个就是明显的体现了它这样一个快充的特性。
  从均值电压上,不管在什么样的倍率下,不管是5C、10C、20C、30C,硬碳都有一个更好的放电电价。
  在高倍率的情况下,硬碳比软碳更小。这些都体现了硬碳在快充、高倍率充放电这些方面的一个优势。
  下面介绍一下硅碳和硅氧方面的进展。硅碳这一块有非常高的能量密度,大家认为是4200也好,还是3580也好,这个是算法不同,总而言之,它是这种非常高的这样一个能量密度。从硅碳的角度来讲,我们觉得要从三个方面来解决这个硅面临的问题,一个是纳米化,另外一个是表面改性,现在大家用的最多的都是表面包碳,去保护它不跟电解液接触,另外是使用一些Buffer去缓冲它体积的膨胀。
  硅碳这一块现在有两款经典的产品,这个都已经商业化了,一款容量是600到700之间的,是包覆性的结构,另外一款是1300到1400这样一个容量。
  这个是硅氧,它跟硅碳相比天生就具有一个比较好的性能,和相对低的膨胀。
  在硅氧这一块我们有两款经典的产品,160的容量,77的首效,另外一款是1400的容量,82的首效。
  硅氧这一块还有一个快充的理念,除了表面包碳之外,我们还可以通过内部碳参杂的工艺来提升它的倍率性能。大家认为硅碳、硅氧是高能量密度的材料,其实它本身也具有快充的特性。另外想说一下,我们也在做粘结剂的工作,目前我们做的情况来看,对于降低含硅负极的极片膨胀。
  这个是我们开发的一款产品,我们叫BXGO,我们想综合利用硅碳和硅氧的优势,我们知道硅碳它起初循环降的是比较慢的,但是后面降的快,硅氧是起初降的快,后面降的慢,所以我们就想做一个材料,让它实现一开始降的慢,后面也降的慢,从这个测试结果来看,我们也确实可以实现这样一个理念,这个复合体系的循环性能是介于硅碳和硅氧之间的。
  这个方面我想提一点思考,我本人做硅也做了很多年了,包括在美国也做硅,香港也做硅,包括在贝特瑞也做硅。
  我们的产品在国内客户的反馈来看,在电池跳水之前,循环性能大家都测的非常好,不管是深圳的客户还是天津的客户,但是就是在某一个阶段会出现跳水,为什么会跳水?我们也在想这个问题,本来这个硅是嵌在材料内部的,但是我们发现这种跳水的电池里面,这个硅表面有大量的絮状物,就像棉絮一样。我们判断,我们还没有做非常仔细的分析,但是我们认为这应该是电解液的持续消耗,电解液这个结构可能还不够完美,电解液渗透以后跟硅接触,在硅的表面不断的消耗,最后导致电解液耗干以后,电池就跳水了。
  最后讲一下复合的理念,上次三月份在华南锂电的会议上也说过,我们希望把快充的理念,高能量密度的理念,长循环的理念做成一个复合体系,来同时满足它的快充特性,长循环特性和高能量密度特性,最终丝实现点电动车的快续航里程。