今天給大家分享一篇汽車動力電池行業的黑馬孚能科技在美國總部的研發項目，一起看看在美國能源部主導下的汽車動力電池開發進展。
項目背景：
開發一款高能量密度，低成本的鋰離子電池動力電池，滿足USABC提出的純電動汽車用動力電池在2020年商業化的總體目標。
項目總體目標：
1,開發EV電池能量密度350wh/kg,循環次數大於1000次，成本0.1/Wh；
2,與合作伙伴聯合開發改進型正極材料以滿足USABC的目標；
3,開發硅基負極材料高能量密度電池體系；
4,開發預鋰化技術；
5,開發和優化電解液，導電劑，穩定高電壓正極性能，改善循環壽命和安全性能。
實現方法：
該項目的主要障礙是實現高能量密度和穩定的化學成分，以滿足循環壽命和日曆壽命目標以及新材料兼容的製造工藝。為了滿足USABC 350 Wh/kg的目標，Farasis需要使用高容量負極（硅）和正極材料。為了獲得所需的能量密度和循環壽命，Farasis正在篩選關鍵的電池材料，如正極，負極，電解質和隔膜。此外，Farasis正在尋求鋰源開發，用於預鋰化，Li源的優化，電極設計，電池設計以及化成和測試流程的優化。
在這個初始階段，該項目專注於篩選扣電中的正負極材料。 正極的容量應高於200mAh/g，負極容量必須在500-1800mAh/g。將材料在單層軟包電池中篩選並評估阻抗，倍率和循環壽命。 使用基線陽極和陰極電極構建18650電池，用於電解質優化和材料的相對安全性。
該初始篩選的結果用於縮小最適合該化學的電解質組合物，並將用於第二輪小電芯製作的進一步優化。 Farasis不斷致力於鋰源材料的合成，並將其作為預鋰化源加入。設備級測試和基礎電化學測量的組合用於指導項目第二階段的大型電池的開發。
該項目的第二階段大約需要17個月，並使用精細的電芯材料庫轉移到大型軟包電芯的製造和測試。其中一些正在進行的材料開發將在此階段繼續進行，以解決第一階段中確定的特定問題，並進一步優化電芯性能。這將在以10-30 Ah 第一代電芯開始的兩次迭代中發生，並且基於更大的軟包電芯形狀因子進展到最終可交付的高能60Ah電芯。第二階段還將包括測試，以指導未來應用中的系統開發; 這些測試將表徵小組中的電芯，以有效地評估它們的大批量下的表現，其中熱管理，循環誘發的性能梯度差異和失效保護是很重要的。
結果：
正極活性物質的開發
Farasis已經確定了八種正極材料的容量，容量目標是在187-210 mAh/g和297-325 Wh/kg的能量密度（基於10Ah電池），第一代電池的目標是能量密度> 300 Wh/kg，正極材料的表現如下圖所示
↑8種正極材料的容量數據
Farasis 在具有固定容量的Si負極的單層軟包電池中評估了12種正極材料（高壓NCM，含有富鋰錳基的NCM和高鎳NCM），在10 Ah軟包電池中的目標能量密度為290-310Wh/kg。基於循環壽命，DCR和倍率性能的結果，Farasis 向下選擇了具有300Wh/kg目標能量密度的正極材料。向下選擇的正極材料將繼續進一步優化第一代可轉化的電池，其目標循環壽命> 400次循環且初始能量密度為300Wh/kg。與此同時，Farasis正在使用所選的正極材料來優化單層軟包電池中的鋰源，以改善循環壽命，並研究對電池的阻抗和安全性的影響。
如下圖顯示了在10-30 Ah不同大小電池中（固定的負極容量，300 Wh/kg能量密度）的不同正極材料的循環壽命。
↑不同正極材料的循環壽命
負極技術的開發
Farasis已經評估了供應商所提供的一系列Si材料（Si合金，SiO，Si納米線和Si納米顆粒）的單層軟包電池，目標能量密度為290-310 Wh/kg。Farasis評估了一系列配合五種不同正極材料的Si材料，並根據300 Wh/kg電池的體系活性物質的循環壽命，阻抗和倍率性能，對這些材料進行了選擇，以應對USABC所定的400Wh/kg的目標。
預鋰化技術的開發
Farasis合成了用於預鋰化的鋰源。 在第一年的時候成功合成了大批鋰源材料（用於預鋰化）並在含有Si基陽極的單層軟包電池中測試這些材料。Farasis製造了包含預鋰化小軟包電池，以確定其對循環壽命的影響。下圖顯示了Si複合材料（> 1000mAh / kg）預鋰化與否的循環壽命比較。
↑正極C1.4,負極預鋰化與否的循環壽命
電解液技術的開發
Farasis正在對3 Ah 18650電池以及單層軟包電池進行電解液研究，評估和優化。下圖顯示了不同電解質配方的循環壽命結果，這是在沒有預鋰化的10-30 Ah電池中，匹配300 Wh/kg材料體系。結果表明，與其他電解質相比，EV12的循環壽命更好（450周循環@ 80％保持）。 含有EV12的電池還表現出較低的阻抗和較好的倍率性能。
↑不同電解液的電池循環結果
電芯開發
Farasis在項目的前六個月提供了基準電芯進行測試。 為了滿足USABC第1代300 Wh/kg的目標，Farasis製造了200個3Ah 18650電池，進行電解質優化，並瞭解材料的相對安全性。基於18650和具有不同正負極的單層軟包電池的結果，Farasis為10-30 Ah電池設計中針對300Wh/kg的材料體系製作了100個1.5Ah軟包電池。
為了滿足USABC的目標，Farasis將繼續通過從小電池結果（循環壽命，阻抗，倍率和安全性）以及其他電池組分的優化實施改進的材料來製作多個高容量的電池。下圖顯示了1.5 Ah軟包細電芯的循環壽命，預計這些電芯的循環壽命在350-400個循環之間。
↑不同電解液配方的循環壽命
總結
在項目最初開始的8個月，孚能評估了12種正極材料和4種硅負極材料，選擇了第一代可交付（300 Wh/kg）電芯的材料體系，循環壽命為450保持率80%，且沒有經過預鋰化。該體系可在10-30 Ah電池中滿足300 Wh/kg目標。 Farasis已對不同的體系進行了相對安全性測試。接下來對於不同的導電添加劑和電解質，繼續在第一代化學中進一步優化，為了達到USABC的目標，將開始研究具有預鋰化的高容量Si（> 1000 mAh/g）。目前已在用於高容量負極材料的小軟包電池中加入Li源，以開始優化容量，循環壽命，阻抗以及電池安全性的影響。
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