美国3M公司江俊伟：锂离子电池材料领域的思考

各位大家好！我是江俊伟，来自3M，我们公司做了很多的电子材料正极、负极、电解液添加剂的研究，我大致跟大家介绍一下。从2001年开始我参与过了很多国际上的一些锂离子电池的会议，这一次我由衷地感到非常高兴看到我们中国的锂电行业发展得如此迅速，而且报告的水平如此之高我感到有种地高兴。所以我这里我想讲一点我们公司在这个电池材料领域是怎么想、怎么思考的，以及我们原来的产品我给大家大致看一看，如果大家有任何的问题可以会后讨论。

我们公司的材料主要是有正极、负极、电解液和盐、溶剂、Chemical Shuttle，我们做电池或者是做材料也好要讲究一些创新，什么领域一些新的材料要挖掘出来，我还是认为材料本身决定了电池的设计，不同的材料、新的材料可以产生很多新的电池设计。

这Cell材料我估计国内的一些公司都做得比较好，所以在材料这一块我会讲的更快一些。材料主要是锰、镍和钴组成的，里面可以设计不同的Cell材料，有的厂家就是锰镍钴的相积，我们公司做了16%钴，降低了成本增加了电池的安全性。下面是一些公司的专利。

我们设计的电池材料主要有几个想法，举一个离子，我们要控制钴的成份，我们发现在这样的一个里面钴的含量发生变化的时候，这个物质本身的性质发生了很多的变化。比如钴下降的时候我们发现这个材料会增加，本身这个材料的钴会降低，钴降低的时候锂金属的数率会降低。最后我们都知道钴降低的时候这个材料成本会下降。我们在做这个材料的时候，我们考虑的是如何综合这样的一个成本、力度、高倍率、比较好的安全性，最后一个是能量密度的问题，这么一些考虑我们可以在Cell材料里面设计成无数组、无数的材料。

下面是几个主要的财力3M公司设计并在中国和韩国生产的，我们有618、718、723，618是典型的组合了，这个产品力度比较高，因为表面比较解释和光滑，有20个离子大于10个微米，也有一些很小的离子便于锂离子去传导。718和723的产品钴含量比较低，大约是16%，这样控制它的成本，最后一个产品是HighPower，考虑到电动自行车这个方向发展比较迅速，这个材料的设计理念就是稍微增加一下材料的表面体，同时把这个材料的力度稍微降低，使这个材料的钴系率相应地增加，有利于锂离子的传导。

主要是这几种材料本身的物理、化学的性质，比如说618是最典型的是密度达到了2.7克/立方厘米，比较接近锂钴氧的正比，他的正极压实以后可以做到3.5、3.6甚至以上问题没有很大。HighPower这个材料颗粒小一点，大约是8.5个微米，

他的容量比较低，还是与材料的设计比较有关系，一般的Cell材料一般容量要超过10%左右，这是他的材料水平。

这是我们用这个.33的出访做成一个18650的，这个材料大约是450的HighPower，不同的电流下他的电位曲线，可以看出这个材料在25—28C的情况下放电，他的容量保持率还是相当不错。右边这个图形大致画的是在不同的放电速率下他的保持去，你看当电流高的时候达到5C、10C的时候电池容量的保持率增加，因为Cell材料高倍率的放电下他的倍率发热，他的能量密度会升高一点。最后达到15—20个C放电的时候，它的容量稍微下降，这点比较容易，以后你们看到在特别高的电流放电的情况下，这个电池的放电其实还没有晚，因为他是2.8V的，如果达到2.0或者是2.5V的话这个时候容量会更高。主要的意思就是说对于Cell材料设计电动车的时候他的温度会提高，这个时候Cell材料的有时会更明显，容量会增加。

这是1C的charge和10C的discharge，我们设计材料的时候是考虑如何去平衡这个材料的平衡，包括他的能量和Power。

这个比较有意思，因为这是一个比较新的领域，如何去设计一个合金的负极，我今天给大家主要讲的是设计的思路，我觉得这个思路非常重要，产品不重要，因为产品可以各种各样，但是思路非常重要。我们在设计负极材料的时候我们的目标是相对于碳而言能量密度提高100%，这是我们的方向，2倍的能量密度。如果负极提高2倍的能量密度的话正极不变，这个电池的容量可以提高20%、30%，这个正极更高的电位，我们的材料电池的容量可以很轻易地提高到40%甚至是50%—60%，就像我昨天说的一样我设计一个3.0安时的18650不难，难的是他持续很长的时间这是一个很难的问题。

这个体系我们主要是改变他的Binder，整个硅的负极循环的时候我们做了很多的工作了不同的体系，我们看到这个里面循环100、200、300圈非常平，这些材料做新电池的时候不能说明问题，要真正做大电池、全电池，这样循环的时候可能就会对他的电池产生很大的损害。我们做了很多的18650的工作，我们有在美国有一个试验线，18650用的正极材料是.33的处分，负的材料是用的硅合金，红线是指我们用我们的材料做的18650循环的曲线，循环的方式是1C的charge和1C的discharge，同样的情况下日本的这个公司电池的循环保持率500圈之后也只有60%，我们做的是18650，因为我们毕竟是做材料的，可能18650做得不太好，但是我们依然可以做到60%的保持率，500圈没有问题。这种硅锌可能离我们很远，

但是已经很紧了，下一步是我们怎么用的问题、用多少。我们知道碳石墨320、300顶多了，这个材料我们可以设计500—2000都是没有问题，这是可调的，现阶段我们的目标大致是800—1200的水准。同时我们做了一些安全的测试，包括针刺和烘箱，我们可以控制材料的形貌和物理参数，使这个材料的安全性相对碳而言更安全。

HQ—115的Electrolyte Sallt，第一个是Applications，这个盐非常稳定，我们把它忙到水中一个月以后捞出来不会生锈，这个全世界的前五大厂商都在买这个盐，而且量很大。但是现在的中国我觉得这个市场有待开发，这个东西用得好的时候需要电子厂商和生产厂商紧密。这个盐主要的功能是在高电位的时候它会分解，同时在正极方面产生一种SUI膜，我们有很多负极的SUI膜，负极的不多，这个盐是一个很好的例子。用这个盐气体的排放率得到抑制，高温的曲层得到很好的控制，比如说我的笔记本电脑电池是40—45摄氏度，这样存在一个高温高压的储存问题，这个盐对这个应用很有帮助。

这是一个化学灰缩，由于我的教授杰夫道提出的一个理念，加一个添加剂里面他在正极表面被氧化在负极被还原，有效防止电池过充，这种现象现在在整个的市场上还没有运用。这是一个很简单的，这个添加剂有什么帮助，很简单的离子，我们的电池组用过一两年以后发现每一个电池的自放电速率不一样了，我们对这个电池充电的时候第一个电池充满了，后面的三个电池还在不同的状态，当一个电池充满了之后这个添加剂就会产生作用，这个电池就会停在那个电位下，在等待其他的几个电池充满。到最后所有的电池全部充满。

这是一些基本的数据，这也是一个18650磷酸铁锂的实验，正极是磷酸铁锂负极也是碳。我们开始电池在充，充完之后我们继续往上充，这有一个电位的平台，这是有些添加剂氧化反应产生的平台，我们知道每一个物质都有一个稳定的氧化反应的电位，这个物质是3.8、3.9V，很适合磷酸铁锂这一种体系。下一步我们找一些高电位的添加剂，适合于锂钴氧，我们也找到几个比较好的。

最后是一个Summary，谢谢大家，这是我的报告。

【现场提问】最后的一个您说的氧化反应的硅缩，我的问题是我们都知道在电池里面物体表面都有一个SEM，您在这里面是怎么样反应硅缩的，在哪一个方面反应？

【江俊伟】很多的专家都提出了这样的一个问题，SEM一般是10—30个微米，这么薄的电子是可以通过的，这是电子的不导体，我觉得到现在为止这个理论可以解释这个现象，问题提得非常好，谢谢！