三维结构碳材料可降低电池20%成本，电动汽车电池价格能降了

日本电池研究公司B3高级副总裁宫本武史先生表示“电动汽车（EV）要实现与传统内燃机（ICE）汽车相当的总拥有成本（TCO：Total Cost of Ownership）的话，电池Pack价格可能需要达到低于80美金/kwh左右的程度。”

但是，EV电池组的价格并未如预期般降低。根据麦肯锡高级分析师Nicolo Campagnol先生的说法，最可能的情况，2020年每千瓦时的电池组价格为165美元，2025年为115美元，到2030年为90美元。电池行业需要寻求新的方法实现降本。

通过采用三维结构碳材料替代粘合剂

2019年10月下旬在千叶县浦安市举办的“Advanced Automotive Battery Conference Asia 2019（AABC Asia 2019）”研讨会上，美国纳米级实验室Nanoramic Laboratories公司首席技术官NicoloBrambilla先生（图1）强调“我们可以将高能量密度锂离子电池（电芯）每千瓦的价格降低至少20％。”

图1：Nanoramic实验室的CTO Nicolo Brambilla（照片来源：日经xTECH）

Nicolo先生表示，他们公司正在开发一种新的电池制造工艺，来实现LIB电池极片不需要采用常规的树脂粘结剂。通常，LIB极片在制备时，除了添加作为导电剂的碳基材料之外，还需要掺杂树脂粘结剂来确保极片的机械强度。由于树脂粘结剂是电绝缘体，所以对于增加电池的能量密度会产生不利影响。

该公司通过使用一种具有三维结构的碳材料，实现了取消树脂粘合剂。据Nicolo先生介绍，由于上述碳材料可以牢固地保持活性材料，因此可以省去树脂粘合剂，并且由于碳材料的导电性优异，因此也不需要添加其他的导电添加剂。据说由此可以实现，在电极混合浆料中97-99.5％都是活性材料。

此外，据称还可以实现将电极混合物层制成150μm~200μm的厚度，从而将更多的活性材料纳入电池中。而在将电极混合物层涂覆在集流体上的常规电池制备方法中，由于电极混合物层中会产生裂纹，厚度极限为约70μm~100μm。

之所以能降低电池成本的理由之一就是提高了能量密度。此外，还有一点就是降低了制造成本，通过以上两点实现至少20％的成本降低。

Nicolo先生的解释是，一般的电池成本分解的话，大概为材料成本62％，制造成本16％，利润17％和税金5％。他指出，在传统的LIB电池制造过程中，将电极浆料涂覆在作为集电器的金属箔上后，要花3~6分钟来干燥溶剂，最终制成极片，而这是目前主要的制造瓶颈。可以说，该过程的生产量取决于干燥速度和干燥炉的长度。

该公司为消除树脂粘合剂的新技术而开发的工艺可以使用现有的卷对卷涂布设备。使用任何溶剂（例如异丙醇（IPA），水基混合物或不易燃的低污染溶剂），可以将干燥时间缩短至1~3分钟，从而将生产量提高至少2倍以上。

而之所以能实现上述效果，除了不需要形成树脂表面这一事实外，可能主要与碳材料的结构相关。由此，据说实现电池制造成本降低25％，电池材料成本降低5％。此外，该公司还解释说，用于LIB的无粘结剂电极技术对于正负极片同时适用。

Si负极的无粘结剂化

此外，在备受瞩目的硅（Si）负极材料中，也出现了旨在无粘结剂化的公司。提出这一说法的是雷诺日产三菱的战略投资初创企业美国Enevate公司。

在本届AABC Asia 2019上，Enevate公司高级副总裁Jarvis Tou先生（图2）表示，该公司的Si负极材料成本，达到了每1kWh的原料成本为天然石墨的3/4，为天然石墨的3/4，人造石墨的1/2，天然石墨和氧化硅（SiO x）混合物的6/11，人造石墨和SiOx混合物的6/15不到的水平。

图2 ：Enevate高级副总裁Jarvis Tou（照片来源：日经xTECH）

除了硅本身不是非常昂贵的材料外，它还取得了具有作为负极材料容量密度高，并且多孔质化后，硅的使用使得可以消除粘合剂，同时吸收在充放电期间负极体积变化的效果。

该公司的硅负极是一种多孔质单晶硅，加工成单层膜，可实现电池的体积能量密度1000 Wh/L，质量能量密度350 Wh/kg以上。由于无粘合剂操作，负极中的活性物质比率为100％，而且负极厚度可以减薄到65-80％左右。但是，该公司未公布原因，似乎是混合了少量碳材料的原因。而Si表面的副反应则通过电解质和添加剂进行抑制。

在通过使用三元NCM（镍，钴，锰酸锂）作为正极制造原型电池而进行的充电测试中，在23°C温度7C倍率充放电，以及-20°C温度7C倍率充放电时充电容量维持良好，均未观察到劣化。同时，该公司使用NCM正极，容量为2Ah的原型电池，还显示了出色的快充性能，能够在5分钟内充电75％。