天津力神张娜：动力电池需依托上下游行业联合创新
2016-11-14 15:27:11
摘要：天津力神动力电池系统有限公司动力电芯开发部总监张娜表示，电池的创新发展思路，还要基于客户的要求，依托我们上下游行业的联合创新，来打造我们最新的产品平台。
以下为张娜演讲文字实录：
张娜：谢谢主持人的介绍！首先还是非常感谢主办方的邀请，能给我们这个平台来进行交流。我今天所要讲的主题是我们力神动力电池是如何创新发展的。分成三个方面来展开这个报告，首先是创新资源投入的情况，因为大家都比较公认的，锂电行业甚至是锂离子动力电池行业，是一个技术密集型、资金密集型、人才密集型的特点，是比较公认的特点，所以我们来讲一下资源投入的情况。力神作为国家目前第一家筹建的国家级的锂离子动力电池的工程技术研究中心，我们在锂离子电池方面有着非常广泛的研究。力神在“十二五”承担新能源汽车创新工程的专项，“十三五”也来承担新能源汽车的试点专项，这个专项支持下我们也有1：3、1：4、1：5的配套比例投入我们的研发和试生产，我们力神公司2012年就成立了技术委员会，汇集了国内锂电行业有名的院士和一些著名的教授，给我们的发展做指导。
这是目前我们研发的组成情况，我们目前主要的技术人员接近1500人，动力电池专职的研发人员，主要基于产品设计，有220多人，我们动力电池的研发投入去年达到了1.85亿。这个是我们公司的研发硬件设施的情况，我们具有非常完备的各种型号电池的研发实验室，包括机极的制备和整个电池极组制备过程的设备，这个也是重要的研发硬件的方法，是我们的测试能力，我们的测试主要基于电池和电池系统，包括全方位的电池性能、安全，还有整个系统，包括组件的BMS的测试以及仿真模拟测试，最后是整个系统的安全可靠性测试，这些能力在公司都具备。这些是材料层面的研发实力，目前公司具有动力电池关键主材克级到公斤级的合成能力，我们主要不是制备材料，我们主要是用这些能力来和我们的原材料合作厂商进行更深层次的合作，提出更明确的产品要求。
这个是我们的分析设备，也分别涵盖了关键原材料的微观型号警惕结构分析，主要成份和杂质分析的设备。另外在电池非常主要的极片等级，也有比如说孔径分布的设计，在电池的无损检测、热分析甚至失溯源分析方面，也有Micro CT等方面，进行深度的分析。
这页展示了我们公司对产品研发的理念，我们分析了五个层次，首先，定义。因为我们要了解市场需要什么，客户需要什么，而且目前新能源汽车也受到国家战略规划和国家政策直接的影响，所以这些都是我们来定义产品的依据。依据我们目前所掌握的方法，包括一些材料和一些测试分析上面去进行创新的设计。另外，探索，使用我们刚才提到的先进的仪器设备，来探索新型反应的机理。第四方面，理解，通过这些分析我们更深理解材料和电池性能之间的关系，来为进一步发展做出指导。最后一个方面，我们要深刻的去研究电池的应用到底有什么具体的需求。这个是五个层次的研发理念。
第二方面，讲一下我们目前动力电池在创新工作方面的一些进展情况。首先，作为一个产品要有明确的规划，这个是我们对产品，因为动力电池我们的产品研发范围对于应用相对来说是比较广泛的，比如说纯电动汽车的电池、插电式混合动力汽车的电池，以及混合动力或者48V的产品，都有明确的开发指标。这也页给出了我们典型的能量型产品技术规划的情况，比如我们现在，我们做到的这个产品的能量密度等级是200Wh/kg，我们到2020年也根据国家总体规划项目的要求，也加入我们对整个产品技术水平的进展情况，我们会开发出来300Wh/kg的产品。
这是目前应用比较广泛的磷酸铁锂规划的情况，我们第一代磷酸铁锂电池的能量密度是128Wh/kg，我们今年年底会推出高能量密度的140Wh/kg的产品，来达到整车用户的需求，我们后续在未来几年也会在磷酸铁锂方面进一步的研究。比如到2019年底，我们会推出160Wh/kg的磷酸铁锂电池。这是我们48V的产品，也有明确的规划，目前开发的残产品是10安时，比我们到2018年会把电池的功率密度进一步提升到5000W/kg。
下面是我们技术方面的情况，我们通过什么样的技术达到我们产品开发的目标。首先，还是提能量密度，因为作为纯电动汽车来讲，目前急于解决的问题，在安全的基础上我们要解决里程焦虑问题，因此我们在高能量密度体系方面还是有比较广泛的布局和开发。第二方面，快充的技术。第三方面，基于高能量密度电池的安全如何布局和规划。第四方面，使用寿命的问题，使用寿命也是通过体系和电池的整个制造工艺的研究来解决。最后一方面，是我们电池系统整个生命周期的技术和安全的一个理解表征。
这是我们在电池快充技术方面的一些进展，目前我们还是通过主体为石墨材料的负极，主要通过减少材料的粒径个表面的包覆达到这个性能，目前我们达到6C充电，6C充电10分钟可以达到80%的容量，我们采用6C充电制度电池的循环寿命可以达到6000次。
这个是我们最近新推出来的低温充电技术，因为以前在开发动力电池的时候我们是不允许低温充电的话，一个是为了解决整体的安全和寿命，但是随着用户提出来明确的要求，我们也对低温进行了突破，目前实际的结果可以达到零下20度2C充电，是偏功率的设计，能量型可以达到0.2C的充电，不影响整体的使用寿命。
这个是我们高能量密度电池开发方面的一些思路。首先还是在正极方面，因为采用高镍的正极，我们有几个技术修饰应对，在电解液方面，也是通过一些新型的抗氧化添加剂的使用，来提高电池的循环性能，减少高镍材料在使用过程中的产气。
另外非常关键的就是高镍和硅材料对电池工艺提出了更高的挑战，比如我们在新型的黏合剂、梯度化纯工艺等方面进行新体系的开发设计，来提高电池的循环寿命，减少它在使用过程中的膨胀。
这个是300Wh的电池体系初步的一些研发成果，我们刚才提到的这些包覆技术和电解液技术，对常温和高温的循环有相对比较明确的改善。这个是我们所涉及的硅负极，首先左边所讲的是我们对硅这个材料使用过程有独特的工艺，保证纯硅的材料也做过测试，循环400次，膨胀小于12%。对于300体系我们开发的是700毫安时/克的复合硅材料，这个结构是非常独特的，能够保证低的膨胀，并达到比较高的首效，目前测试的首效可以达到87%。
这个是我们储能长寿命电池方面开发的规划，电池主要还是基于材料体系和电池本身的开发设计来达到低成本、长寿命电池的要求。这个是我们在长寿命方面所做的多功能的电解液方面的工作，主要是基于成膜添加剂的要求，我们目前初步测试的结果就是长寿命的电池可以达到9000次的循环寿命。
最重要的还是电池的安全技术，这是我们公司提出来的多重的安全防护技术，分别在我们的材料颗粒等级做保护，还有在极片层面做保护，在干体层面也有关键的这些原材料的安全测试，在我们的模组层面和整个系统层面都有比较明确的安全保证措施。
这个是基于整个电池系统所采用的结构，就是热点结构一体化的整体安全防护技术，他是多维度的，比如在热管理方面，我们展开讲一下热管理，通过这个热失效模型的分析，可以导入我们新型的导入材料，进一步研发电池的液冷技术，如果这个系统出现热失控的话，我们还有灭火装置来进行组后一道防线的保护
所有的技术都需要非常有效的工艺来保证，这是我们在装备方面所做的规划。目前我们基本上实现了公里电池的自动化，我们的装备目标是在2020年设备国产化率要达到80%，使我们的信息化和智能化生产线迈上新的台阶，我们到2025年基本上实现真正意义上的大规模智能制造。这是我们在连续制浆系统方面做的工作，比如目前我们研发的设备它的效率和目前传统的设备相比可以提高180倍。这个是我们合作开发的电池装配过程中的设备，比如它的高速叠片可以达到0.3秒/片，整体效率可以提升5倍。这个是自动化成系统方面的一些规划，因为做电池的可能都了解，可以降低成本、降低产品的价值周期。这个是整体的制造智能系统的一个规划，主要还是基于我们的ERP系统和MES系统，来禅城从产品投料到最终产品出货全过程的控制和信息的实施共享。
最后讲一下创新政策和机制环境。我们整体动力电池的创新发展的思路，还是基于客户的要求，依托我们上下游行业的联合创新，来打造我们最新的产品平台。第二方面，讲一下我们公司在创新制度方面的一些成绩和思路，因为是国企，我们有我们自己的特点，如何在这个充分的市场竞争中来发挥我们的优势，解决我们的一些弱点，这是我们公司领导一直在引导我们来做的事情。比如说我们在产、学、研协同创新方面，基于我们的优势，我们和不同的厂家，包括我们的原材料、车厂，甚至一些高校来进行全方位的产品开发的合作，来提高我们的技术水平。这个是在产业链整体方面的协同创新机制，我们主要还是基于我们的原材料厂家的技术平台，还有我们包括正极、负极、电解液和设备厂家，还有我们的客户平台，包括一些国内、国外知名的车厂来进行产业链的协同创新。
第三方面，因为作为央企，目前有个央企电动车联盟，我们作为电池的组长单位来开展一些工作，使我们这些思路和想法和行业内进一步的沟通和磨合。第四方面，在公司内部也推行了比较有效的管理制度，比如拳头产品的制度，我们通过拳头产品设置，来激发研发内部的活力。比如说在2015年，我们对12个拳头产品进行了奖励，拳头产品经理拿到的奖励达到了接近300万，今年我们也设置了同样的拳头产品，预计整个拳头产品的销售额可以达到50亿。
这个是在公司层面的一些创新来留住人才，比如说深入的推行员工持股的制度，还有在整体商业模式方面也有创新的摸索，比如说通过参股的方式，联合发展我们电动中巴的租赁业务，还有探索动力电池全生命周期，包括最后整体的使用和回收，有比较明确的规划。
这个是创新协作畅想方面，还是在几大方面，联合来承担国家开发的工程化的任务，使我们先进的技术和成果供应的技术能够向行业推广，还是积极的和我们大专院校、研究所进行产、学、研的合作。在人才培养方面，也是基于我们中心的平台，和央企联盟这个平台来构建我们高起点、多层次、广渠道的人才培养体系。在咨询服务方面，也有一些实际的举措，比如说进行开放式的学术报告，来促进整个行业的技术交流，可以为同行的企业和科研院所进行我们比较擅长的比如工艺方面的一些咨询服务。
最后讲一下整体我们创新发展的思路。还是基于我们最关键的电池的原材料，也是微米等级材料尺度等级的开发，来开发我们0.1米等级的单体电池产品，和1米等级的系统的产品，来为我们10米等级的整车服务，从而使我们更大尺度的地球天更蓝、水更绿，实现我们公司绿色能源造福人类的梦想。谢谢大家！(能源新闻网)
