既抗凍又耐熱，這款鋰電池超“能打”
寬溫域電芯產品。深圳先進院供圖
蔣春磊在介紹寬溫域電芯產品。深圳先進院供圖
凜冬時節，你的電動汽車和移動電子設備能抵御極寒天氣嗎？近日，在第25屆中國國際高新技術成果交易會上，一款最新研發的鋰離子電池正在經受上達80℃、下至-70℃“冰火兩重天”的極致考驗。
受得了炎熱、耐得住冰雪，充電快速、成本低，這款超“能打”的鋰電池由中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）碳中和技術研究所先進儲能技術中心研究團隊歷時10年研發，是我國首款具有寬溫域、低成本、長壽命的電芯產品，上市后有望打破未來新能源產業格局。
據團隊成員介紹，這項新型鋰離子電池技術目前已實現了儲能、動力等多個應用領域的電芯產品的規模化量產，并于今年6月在我國東北等地分布式儲能領域開展應用示范。
工作溫度范圍“橫跨”150℃
從汽車到電子產品，鋰離子電池早已滲透到人們的日常生活中，為衣食住行提供“動力”。《中國鋰離子電池行業發展白皮書（2023年）》顯示，2022年中國鋰離子電池出貨量已超過全球平均增速。在世界范圍內，我國鋰離子電池產業仍扮演領軍者角色。
受電池材料限制，傳統鋰離子電池的工作溫度在0℃~40℃，低于0℃后鋰電池的放電性能就會大幅下降。
然而，我國幅員遼闊，氣溫隨地域和季節變化大，北方地區冬季溫度可以低至-40℃以下，而南方地區夏季地表溫度高達50℃以上。傳統鋰離子電池無法適應這樣極端的溫度條件，就會造成一些棘手情況，例如，北部地區豐富的太陽能、風能等清潔能源難以直接并網供電，冬季電動車無法啟動、智能手機自動關機，夏季電動車自燃等頻發。
為此，該團隊歷時近10年，研發出既抗凍又耐熱的新型鋰離子電池技術，可以同時兼顧低溫與高溫性能。
研究團隊核心成員蔣春磊介紹，他們通過電池負極材料和電解液體系的創新，直接擴大了電池的工作溫度范圍，其中最低工作溫度達-70℃、最高工作溫度達80℃，實現了高寒酷暑的寬溫域應用場景。
研發關鍵負極材料
這么能“打”的新型鋰電池，究竟“新”在何處？團隊主要從負極材料和電解液體系上下功夫。
據了解，目前電池的正極材料相關技術已接近“天花板”，要提升性能，負極材料尚有發展空間。為此，團隊研發了一種新型鋁基復合負極材料，通過與商用鋰離子電池正極材料匹配，針對不同應用場景研發相應電解液體系，成功開發出新型鋁基-磷酸鐵鋰電芯、鋁基-錳酸鋰電芯、鋁基-鈷酸鋰電芯和鋁基-三元電芯等超寬溫域電池產品。
“我們開發的電池產品除了具備耐熱、抗凍的特性以外，還具有高安全、長續航、快充和低成本的優勢。”蔣春磊表示。
在安全性能方面，常規鋰電池隨著不斷使用，內部會產生鋰枝晶，既影響充電能力，還可能刺穿隔膜，帶來電池短路等隱患。而團隊開發的新型鋁基復合負極，在低溫和過充條件下都能有效緩解鋰枝晶的產生，提高了電池的安全性。
在續航性能上，得益于鋁基復合負極材料較高的理論容量，該電池能量密度較傳統鋰離子電池提升13%～25%，能做到長續航。此外，由于鋁基復合負極優異的導電性能，產品還表現出不俗的快充性能，20分鐘即可充滿電，為半小時充電需求提供了解決方案。
在成本方面，基于鋁基復合負極的性能優勢，并結合開發的高性能電解液體系，低溫電池產品還可以擺脫對昂貴的納米級正極材料的依賴，使電池成本降低10%~30%。
應用場景“上天入地”
據深圳先進院轉化處處長吳小麗介紹，基于新型電池技術，該團隊的23項相關專利依托深圳先進院，以知識產權作價6500萬元，成功實現了技術轉移轉化，并于2017年3月成立了深圳中科瑞能實業有限公司。相關研究成果形成了包括PCT（專利合作條約）專利，中國發明專利，美、歐、日、韓發明專利在內的180余項專利池，獲得授權專利120余項，目前已在四川廣元啟動建設超寬溫域電芯和PACK（電池模組）制造基地，占地200畝，首期投資規模12.7億元。
經過團隊多年的技術攻關，新型寬溫域電池技術已成熟并進入市場推廣階段，目前已與電動自行車頭部企業、新能源汽車頭部企業、能源領域央企等建立了廣泛且深入的合作，提供的批量電芯性能評估已滿足使用需求。
相關企業實測結果表明，使用針對低速電動車開發的鋁基-錳酸鋰電芯產品在-50℃的條件下放電容量保持率仍然超過60%；針對新能源汽車開發的鋁基-磷酸鐵鋰電芯產品可在-30℃的環境條件下高效充電，充電容量超過初始容量的91%，有望解決電動汽車冬季續航縮水和低溫啟動困難的難題。
“有些場景需要-40℃也能正常充放電，而有些則在長循環方面提出了更高要求。圍繞核心技術，結合實際情況，我們對產品不斷作出調整。”團隊成員表示，相關產品可以應用于光伏儲能、家庭儲能、通信基站儲能、軌道交通、航空航天、極地科考等領域，尤其適用于高寒地區及亞熱帶地區，顯著擴大了電池的應用范圍。
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項目成果
