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【CBIS2020】苏州锂盾夏文进:软包动力电池铝塑膜封装技术与长期可靠性研究

盖世直播 2020-10-17 11:28:49

2020年10月16日-17日,“第五届动力电池应用国际峰会(CBIS2020)暨首届中国新能源新材料(宁德)峰会”盛大开幕,在主题论坛3上,苏州锂盾储能材料技术有限公司 董事长夏文进发表了关于“软包动力电池铝塑膜封装技术与长期可靠性研究”的精彩演讲。

电池

以下为采访实录:

非常荣幸能够在这个平台上向大家汇报锂盾材料领域在电池铝塑膜领域所做的工作,感谢行业专家给我们非常多的关心和指导。今天我带来的题目是基于“软包动力电池封装技术与长期可靠性研究”,我想把我们的想法跟各位做一个汇报,希望得到各位专家的批评指正。

首先,汇报一下锂盾是个什么样的公司。我们现在有两家制造基地,一个在苏州叫做苏州锂盾,目前也是国家高新技术企业。去年年底我们在浙江湖州新建了一个新的生产基地,叫做浙江锂盾,今年10月份也马上一期也会投产。我们铝塑膜的做法也是创新新的技术路线,采用微波化学的技术来做膜材料的界面。我们知道做铝塑膜的企业来讲,其实核心技术并不是在膜本身,我们尼龙、PET等等都是上游层来做。我们把它做成一个复合软包电池的铝塑膜,其实重点是怎么把这几层材料做到一起变成一体化的材料,不分层。所以基于这个,锂盾有自己的一些独特的专利技术是基于微波化学的方法来做的。

同时,我们在这几年,2015年6月份成立以来,在技术领域做得比较多的一些工作,包括跟东南大学做了江苏省研发计划的项目,跟中南大学专门专题研究了铝塑膜专用的合金铝膜的研究,后面也会做一个汇报。同时跟中科院上海物理学就微波和软红外这样一些工艺装备的技术也做了非常深的优化,跟沈院士做了非常深的合作。同时,跟江苏省工信厅做新能源汽车铝塑膜卡脖子工程的任务项目,目前也是全国唯一承担新能源汽车铝塑膜关键项目。跟这些专家共同合作之下,形成产品定位和公司定位,把产品定位成一个要替代当前的日本进口这样一个趋势。同时,要把软包电池在我们动力电池领域的占比做上去,软包跟方形相比,其实差的就是外面这层膜。方形是硬壳,软包是软壳,如何让软壳有非常强的保护能力,也是锂盾这个品牌的由来,要做锂电池的盾牌。

基于此,我们分解出来两个核心要素,实际上是铝塑膜的关键。第一冲深性能,如果做到极致,让软包电池的容量和方形可以PK,差别在于软包这个膜能否承载这么深的电芯。把它冲深又可以做好,又可以安全,如何去做,这是这几年做得工作。我们从去年的10毫米可以做到14毫米,接下来的目标在明年6月份会实现量产,可以做到1.8公分到2公分,实现软包电池4公分的要求。我们把平台载体做好,怎么把它做成高容量电池,相信下游的客户也会有很多的办法。第二代目标,把长期的寿命做上去。过去看到不管是各个企业的标准,还是过去建的团体标准,我们的耐电解液性能,方法比较单一,要么是纯耐电解液,要么是温度。把温度和湿度、高温和低温结合起来也非常少,我们在这里面有自己的一些研发的评估方法,把2000小时当做我们的一个目标。

研发的产品线基于刚刚介绍的,既然我们做得是一个材料的界面,特别是有机和无机材料的界面,用特殊的方法来做。其实我们讲软包电池也好,固态电池,包括燃料电池、氢能源电池,其实里面很多都是膜材料,就是有机和无机结合的膜材料。我们在这个界面有非常特殊的技术,所以我们把我们的研发产品推向更多的界面处理,比如今天做软包电池铝塑膜,接下来做方形圆柱防爆功能,这些产品的样品已经出来,还有等等这些都在研发当中,在界面会依托这样的技术平台,突破新能源电池领域软包材料的界面,来发挥应用的优势,做出一些特色的产品。

今天,我汇报的点主要还是在铝塑膜这个软包电池领域,包括消费电子铝塑膜和动力电池铝塑膜,不管是消费领域还是动力领域,我们方法都是一样,都要达到刚才讲到的两个目标。

我们看看今天不管是国内、国外,大家做铝塑膜的方法其实不外乎干法、热法,前面听到的同行讲的干热法其实都还在传统方法里面做了一些革新,实际上通过胶膜进行复合。这里面带来有很多的工序要去做,从日本人的方向里面,做铝箔的处理,铝箔做出来有油,有油了胶粘不住,要通过一些处理才能够实现。第二个问题,这个粘接的过程,我们讲非极性非粘接,不管用胶水还是胶膜要具备极性,锂电池破坏环境是一个极性破坏环境。这个带来一个矛盾,我们化学叫做相似相容原理,如何让它长寿命不被破坏,我们的方法是如何把这个界面的极性降低,变成弱极性或者非极性。就像宏观看到的这样,今天贴对联用胶水去粘,还有用胶膜去粘,还有第三种用钉子钉,家里有一幅画或者结婚照,希望放50年、100年,用钉子钉,这是无机的方法。微波是非常好的无机的工具,只要铝塑膜不封层、不漏液,保证铝塑膜寿命的目的就做到了。这是锂盾一直在技术上所做的工作,如何消灭、降低界面的极性是有一套工艺方法。

从胶水粘和钉子钉,它的界面分子作用力非常小。如何形成共价键,分子键作用就会很大,可能从100、200就会到400、500,那算是非常大。这样在通常的条件下,就不会破坏,这实际上涉及到化学的活化能的概念。首先,解决界面处理的问题,如何用我们的锚钉处理有机的膜界面和无机的铝界面,选用等离子的方法,除油的同时,把锚钉打到各层界面里面,可以达到20纳米左右,这样形成一个锚钉层。同时,采用微波把这个锚钉固定住,一层一层做上去,看似是一个非常笨的方法,但是节约大量的材料,等离子的方法其实很薄,锚钉只有0.03到3公分。抽得越深,黏结率越大,共价键起的作用越大。右边这张照片看到传统的方法,在极性电解液条件下都是透明的,这样形成对铝的腐蚀,用锚钉的方法,这个都很难形成一个保护。

做了分子堆砌图,核心技术两个,实际上里面每一个都是3到5个关联度,如何去实现,这也是掌握的一个核心技术。同时,有一个微波的工艺方法。今天我们的微波,通常看到的是微波炉,工业里面利用微波做膜的非常少,我觉得在锂电行业做膜里面我肯定是第一家,而且会有相当长的时间,这个里面是个独行项,希望大家多多利用微波化学技术,而不要只使用传统的热化学技术,这个效率比较低,微波穿透率很好。而且在锂电领域有好的应用,像铝箔、铜箔是微波天然反射材料,照射到这个界面,会100%反射,这样界面更加牢固,不是纯靠温度来做的。关键这里面形成什么东西,我们也在做宣传,形成了一个非常特殊的结构,包括这些方式也有非常多的研究。

这里做了一个分析,用微波保护法做了这个界面,跟右边传统做法做得发现界面已经形成变化,已经形成锚钉。直观的就会有区别,这是评估的方式。微观有什么区别,我们把这个产品最薄弱的环节,不是用先天的方法去测,这里误差很大,测到这个点蛮难的,每一次测试重复性也很差。我们用这个验证技术方式就很可行,我们看这个薄弱环节有没有分层,有没有折裂的现象,这也是今天这个方式做得一个优势。铝箔要做到10毫米,还能有很大的保持率,这是非常难。一定是3层材料、5层材料,一体化程度非常高,而且冲深的过程中,力学一致性高,冲深才会好,否则很难,这也是这个技术带来的一个优势。

对比日本人的产品的时候,他们可能从8毫米、8.5毫米,我们很明显就可以看到这个地方有了分层和断层的现象。去测它,保持率还是好的,也没有破、漏,其实短板已经出现,所以我想用更先进的方法体现工艺先进技术带来的变革。在应用测试里面也有我们自己的方法,这里面创新了把单因素做成多因素的方法,放在高低温湿度里面去做长时间测试评估,来看玻璃强度,看外观腐蚀有没有变化,这里面取得非常好的进展。后面有一些数据的表现,这是跟竞争对手做得比较,发现我们的产品从客户端送样过来的样品来看,耐湿热性能相比,做的工作还是非常少,特别国内的产品在湿热这上面几乎都很难达到一个长期的过程,所以这也是需要整个行业共同努力。我们率先在之前做了这个工作,在这方面还是会有一定的优势。

这是我们做测试的一些设备,动力电池领域里面也是同样的方法,我们用极限冲坑之后再来测极限冲坑方式的耐电解液的性能,而不是通常用单箔的方法去做。冲坑对膜的界面发生很大的破坏,可能延伸了3倍、5倍,延伸完这个界面还好吗,我们不知道。所以我们基于极限渗坑方式下,做耐电解液性能的测试。

这跟日本公司做了一些对比,我们发现在这个上面用这些方法去评估的时候,可能会占一些小小的优势。但是这个东西能不能长期的去应用,还需要来自下游厂家更多的一些配合和支持,我们共同把这个项目做好。这是我们在电解液上面做了一些,包括击穿电压等等测试,我们现在主力推荐的产品都是plus产品,外层耐腐蚀,其实不仅仅是耐腐蚀这么一个简单的性能提升,还有很多其他方面。比如做成动力电池这个绝缘测试的时候,测变电压,今天很多电池贴聚酰胺的胶膜,防止变电压过高的问题,用plus这个产品完全可以消除这个问题。其实今天很多动力电池标准已经小于0.3、0.2、0.1的都有,其实用plus产品可以很好达到小于0.15的标准,这样可以减少锂电池过程当中的一些工序,就是边缘贴绝缘膜的工序,防止电解液漏液等等对电芯外观造成的影响。同时,绝缘性提升的同时,在耐温性和耐高温和高湿方面也有很大的区别。这是用这个产品做长期高温高湿4个月做电芯,拆解看角位的变化,其实看出来确实有非常明显的一些区别。因为短时间看不出来,有很长的时间至少证明这个技术路线里面还是有非常大的优势。

这是锂化的研发中心,这是苏州的工厂,目前有两条生产线。这是新建在浙江湖州的工厂,厂房5万多平方,希望在这里建成全国乃至全世界的最大的动力电池的铝塑膜的制造基地,规划做1亿平米的产业,也分三期做建设,一期四条线已经投进去,4月份会有两条线投产,希望能够得到下游更多客户的支持、帮助,共同把铝塑膜的国产化工作快速推进上去。

基于这样的技术,我做一个总结,有四大方面的优势:第一个,创造界面非极性,让寿命理论上得到极大的提升,理论上解决了长期寿命的难题。第二个,用这样一个锚钉的处理工艺方法,用一条生产线解决了日本人用三条、四条生产线做产品的工艺。一条生产线管理再差,90%到92%的产品生产是很容易。4条生产线去做,做得做好,4个95乘起来只有81%。所以在材料利用率上,包括安全可靠性上,也会有非常大的提升,这在未来会有非常大的优势。第三个,因为TD/MD双向力学一致性高,深冲优势明显,包括冲深方法也有自己的研究,帮助客户冲深一次性带来非常大的提升。第四个,用微波的方法带来界面更加牢固,更加安全。

最后,我想给大家汇报国产铝塑膜技术的崛起,核心点要达到“三高一低”,耐高温、高阻燃、高绝缘,最后实现成本的降低。高深冲是软包电池成本降低的、安全提升的唯一通道,所以我们专门致力于在高深冲领域,从膜应用给客户做全方面技术研究。“中国芯”不是简单的材料与产地的替代,更多是技术、产业链升级的革命,需要膜材料的上游企业,我们做膜的,还有下游电芯,包括应用的企业要全面的认识到软包电池巨大魅力和未来巨大的空间,技术提升的方向非常多。

最后一句广告词,要放心,用锚钉,谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

本文地址:https://auto.gasgoo.com/news/202010/17I70221684C103.shtml

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