三維結(jié)構(gòu)碳材料可降低電池20%成本，電動(dòng)汽車電池價(jià)格能降了

日本電池研究公司B3高級(jí)副總裁宮本武史先生表示“電動(dòng)汽車（EV）要實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車相當(dāng)?shù)目倱碛谐杀荆═CO：Total Cost of Ownership）的話，電池Pack價(jià)格可能需要達(dá)到低于80美金/kwh左右的程度?！?/p>

但是，EV電池組的價(jià)格并未如預(yù)期般降低。根據(jù)麥肯錫高級(jí)分析師Nicolo Campagnol先生的說法，最可能的情況，2020年每千瓦時(shí)的電池組價(jià)格為165美元，2025年為115美元，到2030年為90美元。電池行業(yè)需要尋求新的方法實(shí)現(xiàn)降本。

通過采用三維結(jié)構(gòu)碳材料替代粘合劑

2019年10月下旬在千葉縣浦安市舉辦的“Advanced Automotive Battery Conference Asia 2019（AABC Asia 2019）”研討會(huì)上，美國納米級(jí)實(shí)驗(yàn)室Nanoramic Laboratories公司首席技術(shù)官NicoloBrambilla先生（圖1）強(qiáng)調(diào)“我們可以將高能量密度鋰離子電池（電芯）每千瓦的價(jià)格降低至少20％?！?/p>

圖1：Nanoramic實(shí)驗(yàn)室的CTO Nicolo Brambilla（照片來源：日經(jīng)xTECH）

Nicolo先生表示，他們公司正在開發(fā)一種新的電池制造工藝，來實(shí)現(xiàn)LIB電池極片不需要采用常規(guī)的樹脂粘結(jié)劑。通常，LIB極片在制備時(shí)，除了添加作為導(dǎo)電劑的碳基材料之外，還需要摻雜樹脂粘結(jié)劑來確保極片的機(jī)械強(qiáng)度。由于樹脂粘結(jié)劑是電絕緣體，所以對(duì)于增加電池的能量密度會(huì)產(chǎn)生不利影響。

該公司通過使用一種具有三維結(jié)構(gòu)的碳材料，實(shí)現(xiàn)了取消樹脂粘合劑。據(jù)Nicolo先生介紹，由于上述碳材料可以牢固地保持活性材料，因此可以省去樹脂粘合劑，并且由于碳材料的導(dǎo)電性優(yōu)異，因此也不需要添加其他的導(dǎo)電添加劑。據(jù)說由此可以實(shí)現(xiàn)，在電極混合漿料中97-99.5％都是活性材料。

此外，據(jù)稱還可以實(shí)現(xiàn)將電極混合物層制成150μm~200μm的厚度，從而將更多的活性材料納入電池中。而在將電極混合物層涂覆在集流體上的常規(guī)電池制備方法中，由于電極混合物層中會(huì)產(chǎn)生裂紋，厚度極限為約70μm~100μm。

之所以能降低電池成本的理由之一就是提高了能量密度。此外，還有一點(diǎn)就是降低了制造成本，通過以上兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)至少20％的成本降低。

Nicolo先生的解釋是，一般的電池成本分解的話，大概為材料成本62％，制造成本16％，利潤(rùn)17％和稅金5％。他指出，在傳統(tǒng)的LIB電池制造過程中，將電極漿料涂覆在作為集電器的金屬箔上后，要花3~6分鐘來干燥溶劑，最終制成極片，而這是目前主要的制造瓶頸。可以說，該過程的生產(chǎn)量取決于干燥速度和干燥爐的長(zhǎng)度。

該公司為消除樹脂粘合劑的新技術(shù)而開發(fā)的工藝可以使用現(xiàn)有的卷對(duì)卷涂布設(shè)備。使用任何溶劑（例如異丙醇（IPA），水基混合物或不易燃的低污染溶劑），可以將干燥時(shí)間縮短至1~3分鐘，從而將生產(chǎn)量提高至少2倍以上。

而之所以能實(shí)現(xiàn)上述效果，除了不需要形成樹脂表面這一事實(shí)外，可能主要與碳材料的結(jié)構(gòu)相關(guān)。由此，據(jù)說實(shí)現(xiàn)電池制造成本降低25％，電池材料成本降低5％。此外，該公司還解釋說，用于LIB的無粘結(jié)劑電極技術(shù)對(duì)于正負(fù)極片同時(shí)適用。

Si負(fù)極的無粘結(jié)劑化

此外，在備受矚目的硅（Si）負(fù)極材料中，也出現(xiàn)了旨在無粘結(jié)劑化的公司。提出這一說法的是雷諾日產(chǎn)三菱的戰(zhàn)略投資初創(chuàng)企業(yè)美國Enevate公司。

在本屆AABC Asia 2019上，Enevate公司高級(jí)副總裁Jarvis Tou先生（圖2）表示，該公司的Si負(fù)極材料成本，達(dá)到了每1kWh的原料成本為天然石墨的3/4，為天然石墨的3/4，人造石墨的1/2，天然石墨和氧化硅（SiO x）混合物的6/11，人造石墨和SiOx混合物的6/15不到的水平。

圖2 ：Enevate高級(jí)副總裁Jarvis Tou（照片來源：日經(jīng)xTECH）

除了硅本身不是非常昂貴的材料外，它還取得了具有作為負(fù)極材料容量密度高，并且多孔質(zhì)化后，硅的使用使得可以消除粘合劑，同時(shí)吸收在充放電期間負(fù)極體積變化的效果。

該公司的硅負(fù)極是一種多孔質(zhì)單晶硅，加工成單層膜，可實(shí)現(xiàn)電池的體積能量密度1000 Wh/L，質(zhì)量能量密度350 Wh/kg以上。由于無粘合劑操作，負(fù)極中的活性物質(zhì)比率為100％，而且負(fù)極厚度可以減薄到65-80％左右。但是，該公司未公布原因，似乎是混合了少量碳材料的原因。而Si表面的副反應(yīng)則通過電解質(zhì)和添加劑進(jìn)行抑制。

在通過使用三元NCM（鎳，鈷，錳酸鋰）作為正極制造原型電池而進(jìn)行的充電測(cè)試中，在23°C溫度7C倍率充放電，以及-20°C溫度7C倍率充放電時(shí)充電容量維持良好，均未觀察到劣化。同時(shí)，該公司使用NCM正極，容量為2Ah的原型電池，還顯示了出色的快充性能，能夠在5分鐘內(nèi)充電75％。