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What?东芝要推出动力电池?性能还很牛?

2018-06-29 10:59 来源: 电动邦

其实东芝公司早在 2008 年就已经开始开发具有安全、长寿命和快充特性的钛酸锂电池,但是钛酸锂电池存在一个致命的缺点——能量密度过低,为此 2017 年东芝公司推出了新一代的动力电池产品 SCiBTM,该产品采用铌钛氧化合物 NTO 作为负极,NTO 化合物的体积比容量是石墨负极的两倍,显著提升了 SCiBTM 电池的性能,公司计划在 2020 年将该产品推向市场。

What?东芝要推出动力电池?性能还很牛?

目前市场上的负极材料主要有两大类,一种是石墨类的负极材料,占据了绝大多数的市场,一种是硅碳类材料,在高比能电池市场上取得了较多的应用。那么东芝搞的这个 NTO 又是什么鬼?其实从东芝的新闻稿中我们能够看出一些端倪,这个 NTO 材料与 LTO 材料渊源颇深。东芝公司在钛酸锂(LTO)电池领域深耕多年,虽然在 LTO 电池上没有取得实质性的突破,但是在 LTO 材料的改性研制了积累了丰富的经验,这款铌钛氧 NTO 材料就是在 LTO 材料的基础上开发而来的。小编也特地找来了东芝公司发表在顶级期刊 JPS 上的关于该材料的文章,为大家全面解读东芝公司开发的 NTO 材料。

东芝开发的这一款 NTO 材料主要是由球型二次颗粒构成,颗粒的表面进行了碳包覆处理,该材料的可逆容量达到 341mAh/g 与石墨类材料接近,以 NCM622 为正极,NTO 为负极制备的 49Ah 电池,体积能量密度达到 350Wh/L,最大输入功率可达 10kW/L(50%SoC),从 0%SoC 充电到 90%SoC 最快仅需要 6min,在 1C 倍率下循环 7000 次容量保持率可达 86%,预计寿命超过 14000 次,几乎完美满足了电动汽车对动力电池的需求。

What?东芝要推出动力电池?性能还很牛?

试验中 TNO 浆料的配方为 91wt% 的 TNO,5% 的石墨导电剂和 2% 的 CMC、2%SBR,试验表明东芝公司开发的高密度 TNO 材料的压实密度可达 2.7g/cm3,远远高于石墨类材料的压实密度。从循环伏安测试结果来看,TNO 的嵌 Li 和脱 Li 的电势分别在 1.58V 和 1.69V 与 LTO 材料比较接近。

下图为 TNO 材料在不同的嵌 Li 量下的交流阻抗测试结果,采用图中等效电路进行拟合,其中 Ro 为欧姆阻抗,Rp 为极化阻抗,包含电荷交换阻抗和表面膜阻抗,Zw 为扩散阻抗,从测试结果来看欧姆阻抗 Ro 在不同的嵌 Li 状态下基本没有变化,而 Rp 则随着 NTO 材料的嵌锂数而发生了明显的改变。当嵌锂数量 x 在 0-0.6 之间时,Rp 随着嵌锂数量的增加而降低,在 x=0.6-1.6 时 Rp 几乎保持稳定不变,在 x=1.6-3.2 时 Rp 随着 x 的增加而显著提高,而电池的极化增加不大。在 x>3.2 的范围内,Rp 在嵌锂数量增加时略有上升,但是在材料的极化明显增加,表明此时相比于电荷交换阻抗,Li+ 的扩散阻抗成了主要限制因素。

What?东芝要推出动力电池?性能还很牛?

下图黑色曲线为东芝公司研发的高密度碳包覆 TNO 材料的倍率测试结果,蓝色曲线为低密度 TNO 材料(70%NTO、20% 乙炔黑、7%CMC 和 3%SBR),红色曲线为没有碳包覆的高密度 TNO 材料,从图中能够看到低密度 TNO 由于加入了大量的导电剂因此表现出了非常好的倍率性能,但是由于活性物质含量较低,所以在体积比容量上要明显低于碳包覆处理的高密度 TNO 材料,该测试表明 TNO 材料经过 2% 的碳包覆处理后极大的改善了材料的倍率性能,同时也保持了高体积能量密度的优势。

What?东芝要推出动力电池?性能还很牛?

为了验证该材料能否应用在电动汽车上,东芝公司利用碳包覆高密度 TNO 材料与 NCM622 材料制备了容量为 49Ah 的动力电池,该电池电压平台在 2.25V,体积能量密度达到 350Wh/L,重量能量密度达到 138Wh/kg。测试表明该电池在 10C 放电倍率下容量保持率达到 93%,这不仅仅能够满足纯电动汽车的需求,也能够完全满足插电式混合动力汽车的需求,同时该电池还表现出了极佳的低温性能,在 -30 ℃下该电池的放电容量仍然可以达到常温下的 63%。

快充性能也是我们非常关注的一点,测试表明该电池在 4C、6C、8C 和 10C 倍率下充满 90% 的电量所需要的时间分别为 13.6、9.0、6.9 和 5.5min,也就是说在最快的充电速度下充满 90% 的容量仅仅需要不到 6min,大约一首歌的时间,这样的快充速度已经能够让电动汽车在使用便利性上与燃油汽车相当了。在 -10 ℃的低温充电试验中,在 5C 倍率下充满 90% 的容量仅仅需要 12min,并且负极完全没有析锂,这也极大的提高电动汽车在冬季的使用便利性。

动力电池除了上述的性能指标外,我们最关心的就是动力电池的循环寿命了,下图展示了在 1C 倍率下 TNO/NCM 电池的循环性能,从测试结果来看该电池循环 7000 次后容量保持率仍然可达 86%,预计 80% 容量保持率寿命可达 14000 次左右,而采用石墨负极的 NCM/ 石墨电池循环 3400 次后容量保持率就达到 80%,表明 TNO/NCM 在使用寿命上具有非常大的优势,这对于降低电动汽车的全寿命周期使用成本具有重要的意义。

What?东芝要推出动力电池?性能还很牛?

总的来说东芝公司开发的这款 TNO 负极材料在比容量上与石墨材料接近,但是由于其压实密度远远高于石墨材料,因此弥补电压平台较高的劣势,由 TNO 材料和 NMC622 材料制备的动力电池在体积能量密度和重量能量密度上与 LFP 电池接近,同时 TNO 材料表现出了极佳的快充性能,在常温下能够在 6min 内充满 90% 的容量,极大提高电动汽车使用的便利性,同时在循环寿命上 TNO 材料也表现出了极佳的性能,在 1C 倍率下循环 7000 次容量保持率可达 86%,极大的降低了电动汽车的全寿命周期使用成本,现在唯一需要担心的就是这款材料的成本了,如果能够与石墨材料接近,那么该材料将有巨大的市场前景。

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