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工人在重庆金美新材料科技有限公司的生产线上。(受访者供图) |
锂电池容易起火爆炸,是不少消费者购买电动车的顾虑之一。为解决这一痛点,有家渝企用新材料把电池做成了“三明治”,有效破解了这一难题。
近年来,锂电池起火爆炸问题层出不穷,成为很多消费者不愿购买电动车的主要原因之一。
为啥容易起火?遇到激烈碰撞时,电池内部的纯金属集流体破裂,会形成几十甚至上百微米的毛刺,刺穿隔膜,导致短路,从而引发热失控。
如果将纯金属集流体替换成不易破裂的材料,能否解决这一难题?
重庆金美新材料科技有限公司(以下简称金美),历时近10年研发,将这一设想变成现实,用新材料把电池做成“三明治”,破解新能源汽车锂电池起火爆炸难题。
开发“三明治”材料
直击锂电池爆炸痛点
金美为什么要研发这种新材料?这要从2015年说起。
那一年是业界公认的新能源汽车发展“元年”,锂电池产业方兴未艾。3月,一则三星手机在充电时爆炸的消息,牵动了整个产业的神经。
“必须开发新材料,解决锂电池安全性问题,否则未来将面临发展瓶颈。”当时,河南人臧世伟与某行业头部企业在设备方面有紧密合作,得知对方有这样的需求后,萌生出跨界创业的想法。
客户提出的设想是,将锂电池内传统的铝箔和铜箔集流体,替换成“金属—高分子材料—金属”三层复合结构,以高分子材料为“夹心”层,上下两面沉积金属铝或金属铜,如同“三明治”。
这样一来,电池受到激烈碰撞时,具有弹性的高分子材料薄膜层能起到缓冲作用。内部发热到一定程度,熔点比金属低的高分子材料会变软、熔化,就会为电芯增加一道高分子“保险丝”。而且,复合集流体无法产生大规模金属毛刺,可规避热失控,从而避免爆炸。
臧世伟带着核心成员,全国各地找设备、找材料、找人才,制样品、搞研发,2年后在安徽创立公司,形成试生产能力。
“没想到,搞原始创新研发这么难。”臧世伟感叹。2018年初,以PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)为基材的复合铜集流体样品下线,送到客户实验室封装测试,却遭到“当头一棒”。
产品正常情况下至少要保证2000次充放电循环,而样品在500次循环后,性能就出现大幅下降:拆开后才发现,中间那层基材被熔解,直接塌陷了。
当时,在研发方面已“烧”了3亿多元的臧世伟,感觉“眼前一黑”。
攻克技术难关后
产业化成了“拦路虎”
既然PET不适合作为“三明治”的基材,那就换材料。
纸膜、PI……几乎所有符合要求的高分子材料,团队都找来试了一遍。那段时间,大家昼夜不分,以生产车间为家。
大半年过去,上千次实验后,团队终于发现,以聚丙烯为基材,可拥有较高的耐冲击性,还能抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀。问题迎刃而解,还带来意外收获——以6微米的复合铜集流体为例,除了上下1微米的铜,中间4微米是高分子材料,相比传统集流体重量减轻60%,节约材料成本近50%,能量密度提升5%—10%。
2018年底,金美第一代产品——6微米铜复合集流体和10微米铝复合集流体正式下线,并实现第一次3万辆电动车装机,投入欧洲市场。
“抓紧上量。”客户对装机结果很满意,并提出了更高的要求。
安徽工厂生产能力有限,金美四处寻求能拓展生产研发基地的地方。彼时,重庆、四川、厦门三地同时向这家企业抛出橄榄枝,而重庆深厚的工业底蕴吸引了臧世伟。2019年9月,金美落地重庆,次年下半年厂房装修投用。
落地重庆以来,金美累计在设备和研发方面投入超10亿元。“从小批量到大批量,绝非从1到2这么简单。量产的难度占到整个开发的90%以上。”臧世伟说。
瞄准千亿级市场
将重庆工厂打造为产能输出基地
这种创新产品,生产设备的研发和组装以及工艺开发,全靠自己摸着石头过河,遭遇挫折是常有的事。
设备组装好后的第一次生产,就让大家傻了眼——产品要么变形、要么穿孔,全是废品。
到底哪儿错了?大家将设备拆掉,经过复盘,发现关键问题可能出在沉积系统的镀膜工艺上。
金美采用的是物理气相沉积法镀膜,铜的汽化点是2567℃,铝的汽化点是3550℃,而高分子材料的熔点却在120℃左右,这就导致金属还没汽化,高分子材料往往就已经熔掉了。
诸如此类的技术难点还有很多。团队对生产流程进行重新开发,调整设备结构、架构和沉积方式,加上热管理、冷管理工艺改进,经过近一年时间,才将整套设备改造完毕。
2021年底,生产线稳步试生产;2022年开始,产品陆续量产装车,应用于极氪等品牌车型。也是在这一年,金美有了超千万元级别的营收。2023年,铜、铝复合集流体生产工艺全线打通,铝产线优率达80%以上,铜产线快速爬坡,年产能达到10 GWh电池用量。
“无论产能多少,你们生产线95%的产品,都归我们!”头部客户放出话来。剩余5%的产品,金美用来拓展其他客户,包括消费电池、储能、军工等。
据权威机构预测,到2030年,全球集流体材料应用将形成2000多亿元市场规模。虽然前景可观,产品供不应求,且具有领先优势,但金美并不满足于现状。
“今年开始,我们将研发转向为设备标准化和优率提升。”臧世伟介绍,金美计划将重庆工厂打造成“灯塔工厂”,作为产能输出基地,实现量产爬坡和产能释放的同时,进一步推动产品极薄化、极轻量化开发,未来目标是年产能100GWh电池用量,产值百亿元。