“高比能量动力锂离子电池的研发与集成应用”项目介绍

杨续来，陈厚梅，高二平



“高比能量动力锂离子电池的研发与集成应用”项目介绍

杨续来，陈厚梅，高二平

（合肥国轩高科动力能源有限公司工程研究院，安徽合肥 230011）

2015年科技部组织编制了新能源汽车试点专项实施方案并与2016年11月12日发布了2016年项目指南，共支持19个项目，其中“1.2”为高比能量锂离子电池技术（重大共性关键技术类）研究。合肥国轩高科动力能源有限公司牵头申请的“高比能量动力锂离子电池的研发与集成应用”项目获得支持。本文介绍了“高比能量动力锂离子电池的研发与集成应用”项目的目的和意义，研究目标和研究内容，拟解决的关键科学与技术问题，研究团队与研究基础，研究挑战和项目预期效益。

高比能量动力锂离子电池；重大共性关键技术；新能源汽车

依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》、《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》，以及国务院《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》等，科技部会同有关部门组织开展了《国家重点研发计划新能源汽车试点专项实施方案》编制工作，本专项总体目标是：继续深化实施新能源汽车“纯电驱动”技术转型战略；升级新能源汽车动力系统技术平台；抓住新能源、新材料、信息化等科技带来的新能源汽车新一轮技术变革机遇，超前部署研发下一代技术；到2020年，建立起完善的新能源汽车科技创新体系，支撑大规模产业化发展。科技部按照分步实施、重点突出原则，2016年首批在6个技术方向启动19个项目。“动力电池与电池管理系统”方向中的“1.2高比能量锂离子电池技术（重大共性关键技术类）”明确要求在高比能锂离子电池领域开发单体能量密度≥300 W·h/kg、循环寿命≥1500次和成本≤0.8元/W·h的高安全性、长寿命高能量密度锂离子电池,实现产品累计销售≥3000万瓦时或装车数量 ≥1000套的市场应用要求。

针对指南“1.2”要求，合肥国轩高科动力能源有限公司作为项目牵头单位，联合北京理工大学、中国科技大学、深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司、深圳吉阳智云科技有限公司和北京新能源汽车股份有限公司等11家单位，组织申报了题目为“高比能量动力锂离子电池的研发与集成应用”的项目，并获得科技部支持，项目批准号为2016YFB0100300。本文介绍该项目的主要思路和研究内容。

1 项目目的和意义

随着近年我国新能源汽车的快速发展，新能源汽车推广数量及电池使用量已跃居世界第一，但在推广过程中暴露出的续航里程短、成本较高、严重依赖补贴等问题，制约了新能源汽车下一步大规模商业化应用，因此对高能量密度长寿命低成本电池的需求已迫在眉睫。结合国内外动力电池的研究现状和趋势，高镍正极/硅基负极电池体系是开发高比能量长寿命电池的最佳技术路线之一。

以本项目的申报和实施为切入点，形成以动力电池制造企业合肥国轩高科动力能源有限公司为核心的产业技术联盟，从动力电池产业链各个环节突破现有技术瓶颈，解决新能源汽车面临的重大共性关键技术难题，实现高能量密度、长循环寿命、高安全性和低成本的动力锂离子电池的产业化以及集成应用，赶超国际先进企业，实现中国动力电池技术产业升级。

2 项目总体目标

高比能、高安全、长寿命和低成本锂离子电池是我国实现新能源汽车“纯电驱动”技术转型战略的关键和重要支撑。本项目拟发展高容量的高镍正极和硅基负极材料体系，结合高安全性纳米涂层隔膜和高电化学兼容性阻燃电解液，采用仿真与试验相结合的方式，优化极片及电池结构设计，在动力电池高比能、高安全、长寿命和低成本方面获得一系列原创性科研成果，解决其中一些重大基础和应用问题，到2020年底前开发出能量密度 ≥300 W·h/kg，循环≥1500周，成本≤0.75元/W·h高比能量电池，形成年产10亿瓦时能力，并配套装车5000辆以上。

3 拟解决的关键科学与技术问题

围绕项目的总体目标和技术指标，提出了本项目拟解决的三个层面的技术问题：在材料研究层面上，研究高容量电极材料结构和界面调控机理，发展宽电化学窗口电解液体系的阻燃机制；在电池开发层面上，研究高比能电池核心材料匹配性调控机理，考察电芯结构设计对电化学性能影响机制，建立零缺陷大规模智能制造失效分析模型；在系统设计层面上，研究多尺度的热失控仿真模型及防范机制，开发电池系统级的安全管理策略，实现高比能电池的高安全特性，满足市场化的规模推广需求。

4 项目研究内容与主要技术指标

实现高比能量电池的产业化生产并批量装车，推动新能源产业链的整体技术进步是本项目的最终目标。材料合成与表征技术包括了正极材料、负极材料、电解液和隔膜等电池四大主材的研发与产业化工作，是实现300 W·h/kg指标的基础；高比能锂离子电池热失控和防范机制研究将贯穿整个项目的开发过程，首先从机理上对材料和电解液的匹配提出改善要求，从化学反应层面对安全性能改善提出建议，有效推动材料选型及电池设计工作，同时为实现电池循环寿命达到1500次提供理论支撑；然后对单体电池及系统的热失控机理进行建模分析，考察电池的均一性和寿命影响因素，为单体电池的设计、集成应用等提供设计理念和方案，也为电池安全和循环寿命提供保障；基于模型的电池设计与智能制造技术是本项目的核心工作之一，通过模型研究指导电池安全设计，并采用数字化智能制造技术控制电池制造过程参数，保证电池制造的一致性，实现年生产能力10亿瓦时的规模化生产目标，同时高效制造过程是电池成本低于0.75元/W·h的有效保障，最终实现累计配套5000辆新能源汽车的推广应用指标。

5 项目团队和研究基础介绍

合肥国轩高科动力能源有限公司（以下简称国轩高科）（SZ.002074）是专注于锂离子动力电池及材料研发与制造的国家级高新技术企业，目前拥有国家级企业技术中心、国家CNAS认可检测实验中心、国家博士后科研工作站等国家级创新平台。2010年1月，搭载国轩高科锂离子电池的585辆江淮iEV轿车和180辆安凯纯电动大巴投放市场，开创了国内规模化推广纯电动汽车的先河。在高比能量动力电池开发方面，国轩高科在加强高容量材料和电池研发的同时，积极构筑新的产业生态，在高容量正负极材料、高安全性隔膜和电解液方面分别与深圳贝特瑞、星源材质和中科院过程所签订战略合作（合资）开发协议，并与北汽新能源签订了产品推广战略合作协议。此外，项目团队成员中信国安盟固利电源技术有限公司、张家港市国泰华荣化工新材料有限公司、深圳吉阳智云科技有限公司、北京理工大学、华中科技大学、中国科学院物理研究所、中国科学技术大学和北京航空航天大学等都是新能源研究领域的优势单位，研发团队的组成具有良好的互补性，体现了交叉学科的优势结合。

6 技术挑战与风险

从技术层面，高比能与高安全永远是动力电池需要取平衡点的话题，高比能电池是建立在高安全的基础上的，本项目从多角度规避高镍材料热稳定性较差的缺点，从系统上提高电池安全性，实现高比能电池的高安全应用。

从政策层面，在新能源汽车鼓励政策持续刺激下，市场需求倍增。同时电池进步能有效降低能购置成本和增加电动汽车的续航里程，而基础设施建设进一步提升充电便利性，这两个循环加快纯电动轿车进入家庭的速度和规模发展。与此同时，工信部出台乘用车油耗管理规定，2020年平均燃油消耗量限值目标为百公里5 L，结合正在研讨制定的积分制，这些政策均在刺激企业发展新能源汽车，综合来看肯定可以实现2020年达到200万辆新能源汽车销量的目标。

从组织和资源层面，项目申请单位国轩高科已经与北京新能源汽车股份有限公司、深圳市星源材质科技股份有限公司等参与单位形成战略合资关系，与华中科技大学、张家港国泰华荣化工新材料有限公司、中国科学院过程工程研究所、深圳吉阳智云科技有限公司、深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司等都有良好的战略合作关系，此项目更联合了北京理工大学、中国科学院物理研究所、中信国安盟固利动力科技有限公司等单位，初步形成了国轩高科产业技术联盟，为国轩高科从产业链角度提供全方位技术支持，打造一条国际领先的新能源汽车产业链。

最后，国轩高科作为国内A股第一家动力电池上市公司，贝特瑞、国泰华荣、中信国安盟固利、星源材质、吉阳智云等公司均为实力雄厚的电池行业领头企业，能为项目的顺利推进提供强有力的资金保障。

7 项目预期效益

以本项目实施为切入点，形成以动力电池制造企业国轩高科为核心的产业技术联盟，从动力电池产业链各个环节突破现有技术瓶颈，赶超国际先进企业，实现中国动力电池技术产业升级。在材料正负极系统匹配方面，依托于“互联互通惰性气氛材料综合测试平台”，为锂电池材料及电池提供“一站式”的检测分析，从界面技术角度为电池的深层机理分析提供指导。动力电池生产线上设计研发具有自主知识产权的动力电池全自动装备，并达到国际领先或先进水平，改变国内动力电池高端装备依赖进口的现状，结合基于模拟仿真技术的电池工程设计，打造一条国际领先的电池制造生产线，同时建成年产5000吨高镍正极材料和1000吨硅基负极材料生产线。结合国轩高科与北汽、上汽、江淮等整车企业形成的战略合作伙伴关系，本项目将在项目结项时向市场推广至少5000套的高比能动力电池系统。拟建成10亿瓦时电池生产线，带动动力电池上下游企业产值超过100亿元，有效促进和优化新能源产业的进一步转型升级，培育新的经济增长点和国际竞争优势。

Project “development and application of lithium ion batteries with high specific energy density”

YANG Xulai, CHEN Houmei, GAO Er’ping

(Institute of Science and technology at Hefei Guoxuan High-tech Power Energy Co. Ltd., Hefei 230011, Anhui, China)

Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China (MOST) initiates national new energy vehicles pilot project in 2015 for next 5 years. Totally 19 projects are announced in 2016. The project 1.2 is a 5-year fundamental research type project (2016—2020), aiming to increase the energy density of EV batteries and to promote the batteries into EV market further. Two targets are purposed: 300 W·h/kg for Li-ion batteries and more than 1000 EVs using the batteries in the market. After 3 rounds review and defense, a team led by Hefei Guoxuan High-tech Power Energy Co. Ltd. wins the project. The title of the project is “Development and Application of Lithium ion Batteries with High Specific Energy Density”. Scientific problems and technologies will be studied: system matching of high nickel cathode and Si-based anode to achieve more than 300 W·h/kg energy density with >1500 cycle life, multilevel security protection of the batteries during integrated application in EVs. This project includes 6 institutes and 6 companies as partners.

high energy density Li-ion batteries; 300 W·h/kg; multilevel security protection

1012028/j.issn.2095-4239.2017.0030

TM 911

A

2095-4239（2017）05-1145-03

2017-03-24。

国家重点研发计划项目（2016YFB0100300）。

杨续来（1983—），男，博士，高级工程师，研究方向为锂离子电池相关技术，E-mail：yangxulai@gotion.com.cn。