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小材料大能量 驱动无人机蓝天翱翔 无人机用高能量高倍率锂电池钴酸锂正极材料的开发及产业化应用

作者:  来源:凤凰网综合  发布日期:2020-09-17 访问量:

在年轻潮人群体里掀起阵阵热浪的无人机,可不单单只是一个耍酷的玩具,真实的无人机已经渗透到了各行各业,成为了电力检查好帮手、农民伯伯的好助理、航拍界的扛把子。在这些高风险、难操作的工作领域,无人机淋漓尽致地发挥了它的优越性,有了无人机的协助,这些平时需要耗费大量人力物力的工作,降低了操作性和风险性,提高了工作效率。取得这样的成果,无人机可谓功不可没。

然而小设备需要大能量,因其特殊的构造,无人机、航模等高功率设备要求锂电池既具有高输出功率,要既能满足高速飞行和爬升,又具备高能量密度,以满足无人机、航模等更长的续航时间。

武汉武强材料科技股份有限公司率先开发出国内首款无人机用高能量、高倍率钴酸锂正极材料,在满足无人机等高功率电池对高输出功率要求的前提下,质量能量密度提升20%以上,体积能量密度提升25%以上,构建了单晶型高倍率钴酸锂材料,提升材料压实密度,设计了新型的Core-Shell结构,实现了倍率型材料的高电压应用。

成果应用领域包括无人机市场、航模、航拍、储能、车用启停电源等,目前产品已大批量供应日韩及国内领先电池企业,国内市场占有率高达60%,至今销售额累计超过15亿元,成果获2018年武汉市科学技术奖三等奖。

凤凰网:锂电池,这种轻巧可充电且性能强劲的电池,改变了人们的生活,鉴于锂电池使用的快速增长,世界各地的研究人员一直在试图找出可以提高其效率和性能的材料与研发方向,请您介绍下您的科研思路及方向?

武强科技代总经理陈彦彬:正极材料是锂电池的核心关键材料,各种应用场景对锂电池及其材料在能量密度、输出功率、循环寿命、高温存储和安全性等性能方面提出了越来越高的要求。

(1)首先是高能量密度的应用。比如数码消费类的手机、笔记本、以及电动汽车等对能量密度的要求很高,需要开发单晶型高电压钴酸锂以及多元材料、高镍含量的多元材料、富锂锰基材料、固态电池关键材料等新型正极材料,同时尽可能提高材料的填充性,从而提高锂电池能量密度。

(2) 其次是高功率的要求,比如无人机、电动工具、混合动力汽车、快充型的电动汽车等等对充放电倍率要求很高,需要缩短锂离子的迁移距离,提升锂离子扩散系数,实现电池的快速充放电。

要满足这些关键的技术要求,从材料的结构设计到具体的实现工艺都要进行系统的优化,从前驱体结构及其合成工艺、正极材料的高温固相结晶过程的优化与控制、材料的体相掺杂改性,到表面修饰处理,每一环节都要做到最优化,当然也包括量产过程中可靠的品质控制,每一步都很重要。

凤凰网:也有观点认为,锂电池的发展很难再有大的突破,您如何看待这种说法?钴酸锂正极材料有哪些优势与特点?

陈彦彬:新能源汽车尤其是电动汽车产业已经成为许多国家战略性新兴产业,锂离子电池已经成为关键的技术支撑,并将长期作为主要的动力电池体系。现有的锂电池材料体系在能量密度、可靠性方面还有很大的提升空间,并且还在持续开发新型的锂离子电池材料体系,应该说锂离子电池在技术上的发展空间很大,产业化应用前景持续向好。当然目前面向电动汽车以及大型工业储能应用的正极材料体系主要是多元材料、磷酸铁锂、以及未来的磷酸锰铁锂、富锂锰基材料等等。

钴酸锂正极材料是最早成功商业化应用的锂电池正极材料,具有体积能量密度高、适合于大倍率充放电的特点,在高端数码领域和特殊应用的高功率领域,其地位难以被其他类型正极材料替代。

凤凰网:“无人机用高能量高倍率锂电池钴酸锂正极材料的开发及产业化应用”的研发经历了几个阶段?现在是一个怎样的研发与产业化应用状态?产品有哪些优势与特点?

陈彦彬:历时5年完成开发,突破了多项关键技术,已于2015年实现量产,成为行业内首款兼具高能量和高倍率的钴酸锂正极材料。武强率先开发出了单晶型小颗粒材料的高温固相结晶新工艺;采用多元素协同掺杂技术,大幅提升了材料的大电流充放电能力,同时提高了材料高电压应用的结构稳定性和高温循环寿命;开发了新型Core-Shell/Doping表面修饰技术,稳定材料界面,提升材料循环寿命与高温存储性能。

项目产品具有倍率性能好(实现60C放电)、能量密度高(提升25%以上)、循环寿命长、高温存储性能优异(鼓胀率低)四大性能优势,综合性能处于国际领先水平,成为业界的标杆产品,被认定为“武汉市新技术新产品”。目前大批量供应国内外知名高功率电池企业,为大疆创新、高巨创新、亿航智能等无人机、航模、启动电源企业配套,国内市场占有率高达60%,至今销售额累计超过15亿元。

凤凰网:“无人机用高能量高倍率锂电池钴酸锂正极材料的开发及产业化应用”的研究成果在国际同行业科研成果中是一个什么样的地位?这项技术的产业化成果的发展趋势是怎样的?

陈彦彬:项目产品已经批量应用于无人机、航模、启动电源等高功率领域,随着市场的进一步成熟,其市场规模将进一步扩大,发展趋势良好。

凤凰网:您的项目在研究期间,遇到了哪些问题,政府部门给予了怎样的支持和帮助?

陈彦彬:本项目的开发需要正极材料制备和检测相关的先进仪器设备。从2004年开始,武汉市科委就从科研项目、平台建设等各方面对武强科技予以资助引导,武强科技建立了完善的锂电材料研发、分析测试、性能评价及电池可靠性、安全性评价的先进硬件设施,为本项目的前沿技术开发提供了重要支持。

中国是锂电池及其关键材料的生产和消费大国,国内企业在产业化技术开发、产品迭代开发应用方面基本上处于国际先进水平,但在基础性研究、原创性技术开发、前沿性专利技术布局等方面还有不小差距,需要加大研发投入,持续提升创新能力,形成具有国际竞争力的自主知识产权的产品技术。

凤凰网:说一说您对武汉建设具有全球影响力的科技创新中心的建议、希望和祝福。

陈彦彬:构建有利于创新发展的政策环境,完善减税降负措施,激发市场活力,促进中小企业发展。持续加大财政科技投入力度,加强对关键核心技术和重大基础研究的投入,完善稳定支持的机制。确立以人为本和包容发展的理念,着力营造尊重杰出科学家、技术专家和企业家等科技创新者探索精神的社会环境,构建允许失败、创新友好的制度空间。

在着力部署原始创新的同时,不断加大对产业化技术发展及产品化开发的支持。建议完善对锂电池及其核心材料前沿技术和产业化的相关支持政策,支持属地企业加大技术开发投入、构建技术优势,扩大业务规模,提高综合竞争力和市场话语权。强化以支撑属地新能源材料产业发展为导向的技术创新,培育以属地骨干企业为主体的研发平台与创新能力,使之成为区域协同创新的核心,充分利用和协同属地科技资源,打造世界级的新能源材料创新高地和领先企业集群,做大新能源产业的产值规模。


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