【正文】 池。從日 韓電池巨頭與汽車(chē)廠商的合作動(dòng)向可知鋰離子動(dòng)力電池時(shí)代將迎來(lái)新一輪的變革。 日本 IIT 咨詢公司報(bào)告提供的數(shù)據(jù)分析表明， 20xx 年世界鋰離子電池實(shí)際增長(zhǎng)率將達(dá)18％。到 2020 年，中國(guó)車(chē)用動(dòng)力電池市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到數(shù)千億元。報(bào)道數(shù)據(jù)還顯示，近年來(lái)電動(dòng)工具采用鋰離子動(dòng)力電池替代鎘鎳電池呈加快態(tài)勢(shì)，已經(jīng)成為除手機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)外的第三大鋰離子電池應(yīng)用對(duì)象。此外，電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)摩托車(chē)是一個(gè)不小的市場(chǎng)，特別是對(duì)我國(guó)尤為重要。隨著人民生活水平的提高，對(duì)電動(dòng)自行車(chē)和 電動(dòng) 摩托車(chē)的需求會(huì)大量增加 。 課題研究技術(shù)國(guó)內(nèi)外專(zhuān) 利申請(qǐng)情況 與本申請(qǐng)課題有關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道表明，目前困擾鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題是安全和成本，國(guó)內(nèi)外正在努力研究攻克這兩大技術(shù)難題。若能夠抓住機(jī)遇，經(jīng)過(guò)兩年的努力，大力開(kāi)展能量型和功率型雙向發(fā)展的鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化工作，則對(duì)我國(guó)在電動(dòng)車(chē)、 筆記本 以及 電動(dòng)工具領(lǐng)域搶占國(guó)際市場(chǎng)有極大的推動(dòng)作用。 磷酸鐵鋰材料的專(zhuān)利雖然大都被國(guó)外的幾家公司申請(qǐng)，但幾家公司之間因?yàn)閷?zhuān)利問(wèn)題存在著多起訴訟案件，如： A123 公司 20xx 年 4 月和 HQ 公司的專(zhuān)利訴訟案、 20xx 年 9 月和 UT 大學(xué)的專(zhuān)利訴訟案。 Valence 公司與 HQ 公司分別在 20xx 年 9 月和 20xx 年 2 月存在著專(zhuān)利訴訟。 UT 大學(xué)有 5 起和磷酸鐵鋰專(zhuān)利相關(guān)的訴訟案。所以只要國(guó)內(nèi)在基礎(chǔ)研究和知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面進(jìn)行更大的投入，磷酸鐵鋰材料的專(zhuān)利問(wèn)題同樣可以獲得突破。 電池 隔膜 材料方面， 日本東 燃 、旭化成、日東公司以及美國(guó) ENTEK 公司在濕法工藝制備鋰離子電池隔膜方面有較大量的專(zhuān)利申請(qǐng)和授權(quán)。美國(guó) Celgard 和日本宇部公司在干法工藝制備鋰離子電池隔膜方面有較大量的專(zhuān)利申請(qǐng)和授權(quán)。中國(guó)科學(xué)院北京化學(xué)所在干法制備聚丙烯 (PP)多孔膜方面有專(zhuān)利授權(quán)。 電池負(fù)極材料方面， 現(xiàn)有負(fù) 極相關(guān)專(zhuān)利石墨方面主要集中在日立、三星、三洋、松下、索尼等公司，國(guó)內(nèi)也有部分單位和個(gè)人擁有相關(guān)專(zhuān)利；無(wú)定形碳方面主要集中在吳羽、索尼等公司，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究還很少。雖然現(xiàn)在有大量的負(fù)極專(zhuān)利，但能同時(shí)獲得低溫 充放電 、大電流充放電、 長(zhǎng) 循環(huán) 壽命 、高容量等性能的專(zhuān)利還沒(méi)有，這是我們工作的主要突破點(diǎn)。 14 課題主要研究?jī)?nèi)容、擬解決的技術(shù)難點(diǎn)和可能的創(chuàng)新點(diǎn)，及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析（包括技術(shù)障礙、解決途徑及風(fēng)險(xiǎn)因素） 本課題將主要研究?jī)?nèi)容、擬解決的技術(shù)難點(diǎn)和可能的創(chuàng)新點(diǎn) 高能量 /高功率型車(chē)載動(dòng)力蓄電池的 開(kāi)發(fā) ? 正極設(shè)計(jì) 優(yōu)化正極活性物質(zhì)、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑的選型和配比，調(diào)整正極片的體密度、孔隙率等，將正極的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性最大化，保證正極的比容量發(fā)揮和優(yōu)異的循環(huán)壽命。 ? 負(fù)極設(shè)計(jì) 以高容量、高性能和低成本為負(fù)極選型導(dǎo)向，以最優(yōu)的配比保證負(fù)極片的均一性、穩(wěn)定性以及良好的電解液浸潤(rùn)性，增強(qiáng)鋰離子在負(fù)極材料的固相擴(kuò)散速度，提高負(fù)極充放電能力。 ? 電解液設(shè)計(jì) 多元溶劑匹配和合理的鋰鹽類(lèi)型、濃度組成相應(yīng)的電解液體系，達(dá)到良好的離子導(dǎo)電性、高溫高電壓下的穩(wěn)定性，保 障正負(fù)極活性物質(zhì)電性能的充分發(fā)揮。 ? 隔膜設(shè)計(jì) 優(yōu)選合適的隔膜材料，著重研究隔膜在制程和長(zhǎng)期使用中物理性能和化學(xué)性能變化，提高在各種濫用條件下的可靠性，滿足電池使用壽命的需求。 ? 電池設(shè)計(jì) 通過(guò)電流分布模型、熱模型、力學(xué)模型、電化學(xué)模型等確定電池極片結(jié)構(gòu)和極芯設(shè)計(jì)。強(qiáng)調(diào)針對(duì)內(nèi)部短路的主動(dòng)防護(hù)設(shè)計(jì)和被動(dòng)安全結(jié)構(gòu)的合理有效利用，提高電池在惡劣使用環(huán)境和濫用條件下的安全性和可靠性。優(yōu)化內(nèi)外部電流分布密度和通導(dǎo)能力，降低電池阻抗和熱量生成。注重空間的有效利用，以達(dá)到更高的能量密度。優(yōu)化極芯的 可制造性和可裝配性設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)工藝難度和可能的過(guò)程變差。 ? 高能量密度 /高功率密度電池極片和極芯設(shè)計(jì)； ? 電池低溫下充放電性能提升； ? 電池大倍率充電性能； 15 ? 電池自放電； ? 電池的循環(huán)壽命； ? 電池的可靠性（密封性，耐候性，連接可靠性等）。 ? 優(yōu)化的可支持大倍率充放電的電池極片和極芯設(shè)計(jì)； ? 改良的具有良好可靠性的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； ? 完善的相關(guān)電池設(shè)計(jì)模型； ? 適用于車(chē)用的新型動(dòng)力電池； ? 適宜車(chē)載動(dòng)力電池生產(chǎn) 的 簡(jiǎn) 單 高效的工藝路線。 車(chē)載模組及包體結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā) 1. 主 要研究?jī)?nèi)容 研究、開(kāi)發(fā)、優(yōu)化車(chē)載動(dòng)力電池的 單體 電池結(jié)構(gòu)、電池組結(jié)構(gòu) 和 電池包 體 結(jié)構(gòu) ， 單體電池 之間的連接方法、電池組之間的連接方法及電池組的固定形式。 2. 擬解決的技術(shù)難點(diǎn) 電池單體需滿足安全、密封、耐侯、耐化學(xué)、抗震、制造工藝、單位質(zhì)量、低成本的要求；電池組需滿足安全、耐侯、耐化學(xué)、抗震、抗沖擊、制造工藝、可裝配、可維護(hù)、通用、絕緣、密封、單位質(zhì)量、低成本的要求；電池包需滿足安全、絕緣、密封、質(zhì)量、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有效性、信息反饋系統(tǒng)可靠性、裝配可靠性、抗震、抗沖擊、可維護(hù)性、低成本等要求。電池總成需具備適應(yīng) 強(qiáng)振、擠壓、翻滾、碰撞等各種極端工況的能力。 3. 可能存在的創(chuàng)新點(diǎn) 電池單體的安全、連接、定位、密封、固定、絕緣、加熱、散熱結(jié)構(gòu)；電池組的布局、密封、防振、安全、可靠性；電池包的安全、連接、定位、密封、固定、絕緣、溫控、信息反饋等。 規(guī)模生產(chǎn)工藝和品質(zhì)控制體系的開(kāi)發(fā) 電池生產(chǎn)規(guī)模直接影響電池的生產(chǎn)成本，其關(guān)鍵影響因素之一就是其生產(chǎn)工藝。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)即考慮產(chǎn)品 生產(chǎn) 過(guò)程實(shí)現(xiàn)的可行性，充分優(yōu)化產(chǎn)品參數(shù)；通過(guò)模型仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的可行性、簡(jiǎn)便性、高效性。 動(dòng)力電池系統(tǒng)一般是由 若干電池串聯(lián)而成，這對(duì)諸如電池一致性等電池相關(guān)特性提出了很高的要求。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段和過(guò)程設(shè)計(jì)階段，通過(guò) DFMEA①、 PFMEA②等工具，充分考 16 慮和識(shí)別電池可能存在的風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題；通過(guò)公差分析、仿真模型、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等反復(fù)驗(yàn)證和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)和過(guò)程參數(shù) ；建立適用于動(dòng)力電池的統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制體系，確保產(chǎn)品質(zhì)量；建立品質(zhì)數(shù)據(jù)的電子化管理系統(tǒng)和完善的產(chǎn)品追溯體系，保證能快速有效地追溯到每一支電池及其所使用的關(guān)鍵物料。 ① DFMEA，潛在設(shè)計(jì)失效模式及后果分析，用于分析、識(shí)別產(chǎn)品設(shè)計(jì)的潛在失效模式、后果及原因機(jī)理以預(yù)先采取措 施防止問(wèn)題的發(fā)生。 ② PFMEA，潛在過(guò)程失效模式及后果分析，用于分析、識(shí)別產(chǎn)品制造和裝配過(guò)程的潛在失效模式、后果及原因機(jī)理以預(yù)先采取措施防止問(wèn)題的發(fā)生。 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容 : 單體電池電壓監(jiān)控；單體電池溫度監(jiān)控；電池組電流監(jiān)控；電池組總電壓監(jiān)控；基于單體最值參數(shù)的管理技術(shù)；研究電池?zé)峁芾砑夹g(shù)；研究電池 SOC 計(jì)算技術(shù)；電池及電池管理系統(tǒng)故障自診斷研究；系統(tǒng)安全性、可靠性、電磁兼容性研究。 鋰離子電池正極材料的開(kāi)發(fā) 磷酸鐵前驅(qū)體合成的主要研究?jī)?nèi)容 包括：可行性；合成溫度；攪拌速度； pH 值控制；固含量；平均滯留時(shí)間，產(chǎn)率（效率）；收率；材料粒度；產(chǎn)物純度；磷鐵比例等。 磷酸鐵鋰材料合成的主要研究?jī)?nèi)容包括：材料合成的工藝路線選擇；合成材料的比容量（含質(zhì)量比容量和體積比容量）；合成材料的導(dǎo)電性（含電子導(dǎo)電性能和離子導(dǎo)電性能）；合成材料的密度（含振實(shí)密度和壓實(shí)密度）；合成溫度的選擇；表面修飾；摻雜改性；合成材料的流變性；過(guò)程中微觀分散和一致性；合成過(guò)程的難易程度、安全及環(huán)境問(wèn)題；合成成本問(wèn)題；合成材料的綜合性能等。 鋰離子電池負(fù)極材料的開(kāi)發(fā)。 負(fù)極材料開(kāi)發(fā)上擬解決的技術(shù)難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面： 大電流放電性能。目前鋰離子電池負(fù)極的大電流性能尚不能滿足高性能動(dòng)力蓄電池的使用需求，必須采取一些獨(dú)創(chuàng)的摻雜改性或表面改性方法來(lái)提高其大電流充放電性能，使其滿足高性能動(dòng)力蓄電池的使用要求。 快速充電能力。鋰離子電池的充電方式主要為恒流恒壓充電，充電電流低、充電時(shí)間長(zhǎng)，尤其是恒壓充電階段充電效率更低，無(wú)法滿足動(dòng)力蓄電池的使用要求，本課題將就 17 此方面進(jìn)行深入研究，探求負(fù)極充電機(jī)理、充電影響因素、關(guān)鍵控制步驟，解決影響快速充電的重要問(wèn)題。 安全性。安 全性是限制鋰離子動(dòng)力蓄電池實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化的重要因素。影響鋰離子動(dòng)力蓄電池安全性的因素有很多，負(fù)極也是其中重要的一個(gè)因素。主要表現(xiàn)在充電過(guò)程尤其是過(guò)充或快速充電過(guò)程中鋰在負(fù)極易形成鋰枝晶，造成電池內(nèi)部短路從而引起安全事故；此外，負(fù)極中含有的雜質(zhì)或電解液中 含有 的雜質(zhì)也有可能在負(fù)極析出形成枝晶，引起安全事故，因此提高負(fù)極安全性的工作主要是從抑制枝晶方面進(jìn)行。 循環(huán)性。負(fù)極是影響鋰離子動(dòng)力蓄電池循環(huán)性的重要因素，在電池循環(huán)過(guò)成中鋰離子在負(fù)極中反復(fù)嵌入 — 脫出，石墨體積反復(fù)變化，導(dǎo)致石墨層間結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，最終剝離破碎導(dǎo)致電池容量下降。 鋰離子電池隔膜產(chǎn)業(yè)化的開(kāi)發(fā)。 本課題主要進(jìn)行原材料篩選及預(yù)處理工藝的研究；進(jìn)行原材料共混擠出工藝及設(shè)備的研究；進(jìn)行雙向拉伸、后處理工藝及設(shè)備的研究 . 1 原材料篩選及預(yù)處理工藝的研究。鋰離子電池隔膜的機(jī)械強(qiáng)度、閉孔破膜溫度、熱收縮、耐氧化性能、高低溫性能等在很大程度上取決于其原材料的性能。本課題將對(duì)基體樹(shù)脂的種類(lèi)、分子量和分子量分布、熔融指數(shù)、各組分配比等進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)課題要求的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。 本課題還將對(duì)原材料的預(yù)處理工藝進(jìn)行研究，使得后續(xù)混合更加均勻，提高 最終產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。 2 原材料共混擠出工藝及設(shè)備的研究。本課題將從工藝和設(shè)備方面入手，提高原材料混合的均勻性和擠出的穩(wěn)定性： 3 雙向拉伸、后處理工藝及設(shè)備的研究。雙向拉伸及后處理是制備鋰離子電池隔膜過(guò)程中最重要的步驟，不僅對(duì)機(jī)械強(qiáng)度、透氣性、熱收縮等基本性能有很大影響，還決定了隔膜性能、厚度的一致性。本課題將對(duì)雙向拉伸、后處理工藝及設(shè)備進(jìn)行研究 。 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析 。 隨著人們經(jīng)濟(jì)生活的日益頻繁和社交圈的擴(kuò)大，人們不可能花大量時(shí)間 在 充電站或者家 里等待。所以續(xù)航里程成了電動(dòng)車(chē)及電池最為重要的指標(biāo)之一。目前比亞迪已經(jīng)開(kāi)發(fā) 50Ah 18 和 150Ah 的高能量型鋰離子動(dòng)力電池。搭載 50Ah 鋰離子動(dòng)力電池的 F3DM 和 F6DM 雙?；旌蟿?dòng)力車(chē)，單次充電純電動(dòng)模式續(xù)航能力達(dá)到 100km 以上。 e6 純電動(dòng)力車(chē)搭載容量高達(dá) 150Ah的鋰離子動(dòng)力電池，單次續(xù)航能力在 300km 以上，已經(jīng)可以達(dá)到正常使用的需求，公司有信心繼續(xù)提升此項(xiàng)性能。 。 公司研發(fā)的動(dòng)力電池，通過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，專(zhuān)門(mén)對(duì)電池的工作溫度和充電溫度進(jìn)行 自動(dòng)調(diào)控，加上一些適宜低溫工作的新材料、新技術(shù)的使用，目前開(kāi)發(fā)的車(chē)載鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)可以在最低－ 40 的環(huán)境下充放電，解決了電動(dòng)車(chē)的使用范圍問(wèn)題。 ，市場(chǎng)上現(xiàn)有多數(shù)動(dòng)力電池尚不能滿足。 公司研發(fā)的動(dòng)力電池基本上 克 服了充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，目前，我們的純電動(dòng)汽車(chē)電池大約只要充電 10 分鐘，即可充滿 70%，在商業(yè)化的道路上邁出了可喜的一大步。 ，其中最 重 要的原因是電池價(jià)格高。 比亞迪具有強(qiáng)大的垂直整合能力，可以自 行開(kāi)發(fā)鋰離子動(dòng)力電池所需的各種原材料和配套設(shè)備，可以有效的控制和降低原材料和設(shè)備成本。磷酸鐵鋰正極材料的應(yīng)用，相較鈷酸鋰正極，進(jìn)一步降低了材料成本。另外，比亞迪在鋰離子電池方面具有著由來(lái)已久的成本優(yōu)勢(shì)，在與同行業(yè)相比比亞迪一 直 保持著良好的性價(jià)比。這些優(yōu)勢(shì)為制造高性價(jià)比的鋰離子動(dòng)力電池創(chuàng)造了有利條件。 5. 負(fù)極材料開(kāi)發(fā)上結(jié)合預(yù)期工藝路線，存在以下不確定因素：（ 1）材料表面處理方法很多，機(jī)理不明確?，F(xiàn)只有 XPS 可進(jìn)行表面測(cè)試，準(zhǔn)備購(gòu)買(mǎi)新的測(cè)試設(shè)備。（ 2）需要耐腐耐壓設(shè)備；（ 3）現(xiàn)有造粒方式和設(shè)備是否能滿足工藝 要求 尚 不確定；（ 4） 反應(yīng) 爐及配套設(shè)備成本比較高。在完善配套設(shè)備的采購(gòu)和建設(shè)后，可以規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)。 。 用于本課題聚合物共混的設(shè)備是雙螺桿擠出機(jī)，其廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠加工行業(yè)，屬于比較成熟的機(jī)械產(chǎn)品。在工藝方面，本課題涉及聚合物與大量液態(tài)添加劑的共混，可能會(huì)遇到混合均勻性及擠出壓力穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題，但塑料加工行業(yè)內(nèi)有類(lèi)似的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，再加上課題組成員對(duì)于混合工藝與設(shè)備匹配方面多年來(lái)積累的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該可以解 19 決共混問(wèn)題。 目前，薄膜雙向拉伸技術(shù)已經(jīng)是業(yè) 內(nèi)十分成熟的技術(shù)。本課題研究的體系與通常的雙向拉伸聚丙烯、雙向拉伸聚酯有所不同，可能會(huì)存在一些技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，但拉伸工藝條件沒(méi)有太大差異，查閱相關(guān)體系的技術(shù)文獻(xiàn)和專(zhuān)利，也并沒(méi)有對(duì)拉伸工藝提出太苛刻的要求，因此，通過(guò)對(duì)一些工藝參數(shù)的調(diào)整應(yīng)該可以解決拉伸問(wèn)題。 ： 1）前驅(qū)體磷酸鐵的合成 過(guò)程中 能否使大部分的一次顆粒團(tuán)聚成二次顆粒并使二次顆粒的粒徑在 25 微 米 以上 ； 產(chǎn)業(yè)化后連續(xù)的合成過(guò)程中是否會(huì)有其它影響產(chǎn)物純度和磷酸鐵的反應(yīng)產(chǎn)生 。 2）磷酸鐵鋰的合成過(guò)程中，以水取代酒精作分散劑，工藝過(guò)程 中的安全及成本問(wèn)題自然可以降低，但是 能 否解決漿料干燥后的結(jié)塊問(wèn)題 ； 高密度的磷酸鐵鋰材料的比容量、倍率、循環(huán)等性能和低密度材料會(huì)有 什么樣 的差別 。 8. 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的安全性、電磁兼容性、 SOC 的計(jì)算及采樣精度也是系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)挑戰(zhàn)。比亞迪通過(guò)自主研發(fā)，通過(guò)多級(jí)安全保護(hù)和對(duì)電池失效及電池管理系統(tǒng)自身失效的自診斷，可以保證電池系統(tǒng)處于一個(gè)安全、良性的工作狀態(tài)。通過(guò)設(shè)備