美國能源部車輛技術辦公室（the Vehicle Technologies Office (VTO)）每年會發布車用電池研發項目的年度報告，并放在美國能源部網站上供大家免費下載。本文參考資料為2017年度電池研究進展報告。18年度的研究進展報告目前還沒有發布。

其車用電池研發項目（Battery Program）的目標之一是研發純電動汽車用高能量密度的電池。單體電芯的比能量大于350Wh/kg，循環壽命大于1000次。項目資助了Envia systems、LGCPI、24M、Farasis Energy、Amprius和SiNode Systems 6家公司研究電芯。其中24M主要研究半固態鋰離子電芯，SiNode Systems重點研究克容量大于1000Wh/kg的硅/石墨烯復合材料，其余4家公司研究硅負極鋰離子電芯。下圖是電池系統和電芯的目標。

下面簡單介紹一下6家公司17年的研究進展：

Envia Systems

17年主要完成了11Ah軟包電芯（Cell-build 2#）的制備，比能量達到280Wh/kg，循環大于500周（C/3rate，CC-CV，30℃，4.35V to 2.3V）。比能量為245Wh/kg 的21Ah軟包電芯（Baseline cell），循環大于700周（C/3 rate，CC-CV，30℃，4.35V to 2.3V）。18年將會制備循環壽命大于1000的300Wh/kg的11Ah軟包電芯（Cell-build 3#），循環大于1000次的50Ah軟包電芯（Cell-build 4#）。

電芯正極為富鎳NCM和富錳NCM兩種材料的混合，負極為SiO/C（SiO含量大于50%），通過預鋰工藝（與Nanoscale Components合作）提高首效。其中，電解液為Daikin America公司生產，涂敷處理的隔膜為Asahi Kasei提供，電池制造與A123 Venture Technologies合作；Si合金來自3M，n-Si來自DuPont。

項目的工作重點是材料優化和選擇、預鋰工藝、電芯設計、電芯化成和測試方法。循環是主要挑戰之一，負極的粉化（pulverization）和破碎（fragmentation）是主要的失效模式，解決措施為優化電芯設計（涂敷量、密度、N/P等）和材料選擇（負極、正極、導電劑、電解液、隔膜）。

查找循環失效的原因主要通過失效分析和電芯拆解（物理、化學、結構、電化學分析）來進行。

LGCPI

項目初期選用富錳NCM/硅負極體系，循環性能很差，僅循環了25周。隨后轉為選用富鎳NCM。17年主要對比了SiO含量為10%和30%的電芯OCV、循環和膨脹。與10%的SiO電芯相比，30%的SiO電芯的OCV低，100%SOC循環性能差，膨脹力大。降低SOC窗口后，兩者循環性能差異不大。目前還沒有達到USABC的目標，未來要制作>50Ah的電芯。

24M

24M公司主要研究半固態鋰電池。正極主要選用NCM622和811。通過改善電解液，電池的低溫性能有較大提升。-20℃，1/3C放電容量為室溫容量的50%。

Farasis Energy

項目主要通過優化正極、硅負極、預鋰工藝、電解液和導電劑來達成目標。

正極篩選了12種，有高壓NCM、LMRNCM和富鎳NCM，比容量為187-210 mAh/g；負極主要為硅合金、SiO、硅納米線和硅納米顆粒，比容量為>1000 mAh/g。

Gen 1 電芯容量為10~30Ah，比能量為300Wh/kg，沒有采用預鋰工藝，通過優化電解液循環可達到450次。

通過預鋰工藝，可以大大改善硅負極的循環性能（見下圖）。項目最終電池的容量為60Ah。

Amprius

目標是制作容量為40Ah的軟包電芯，其EOL時的比能量和能量密度分別為350Wh/kg和750Wh/L。負極采用硅納米線。

電芯性能目標:

Available Energy Density @ C/3 Discharge Rate: 750 Wh/L

Available Specific Energy @ C/3 Discharge Rate: 350 Wh/kg

DST Cycle Life: 1,000 Cycles

Peak Discharge Power Density, 30 s Pulse: 1500 W/L

Peak Specific Discharge Power, 30 s Pulse: 700 W/kg

Peak Specific Regen Power, 10 s Pulse: 300 W/kg

Calendar Life: 15 Years

Selling Price @ 100K units: $100

Operating Environment: -30°C to +52°C

Normal Recharge Time: < 7 Hours

High Rate Charge: 80% ΔSOC in 15 min

Peak Current, 30 s: 400 A

Unassisted Operating at Low Temperature: > 70% UseableEnergy @ C/3 Discharge Rate at -20°C

Survival Temperature Range, 24 Hr: -40°C to+ 66°C

Maximum Self-discharge: < 1%/month

該項目之前，Amprius的電芯能量密度（BOL）已經大于700 Wh/L，100%DOD，C/2循環次數大于400 cycles。為了達到該項目目標，措施有：1）調整負極結構和使用更薄的箔材和隔膜來提高能量密度；2）正極將從LCO變為NCM；3）優化負極結構提高壽命；4）開發提高SEI膜穩定性和電芯性能的電解液配方；5）增加負極和電芯尺寸；改善硅生長和沉積的均勻性，降低缺陷密度；可擴展到更大尺寸的制備方法。

通過在電解液里添加提高SEI膜穩定性的添加劑，提高了電芯的性能和壽命。2017年，篩選了100多種電解液配方，包括不同添加劑、溶劑和鋰鹽。重點改善正極在高SOC和高溫下的產氣。通過測試高溫（50℃）下的循環和存儲性能來篩選電解液。循環測試制度為：CC-CV at C/2 rate with 10% current taper and C/2discharge rate, over the full voltage range (2.85-4.25V)。

2017年送測的Silicon-NCM電芯平均容量為10.6 Ah，比能量345 Wh/kg，能量密度860 Wh/L。

18年將制備容量為40Ah的電芯。規格為：

Rated Capacity: 45.9 Ah at C/3 rate

Vmax100 = 4.1V

Vmin0 = 2.5V

Cell weight = 450.7g

Cell size = 6.0 x 96 x 288 mm (body only)

348 Wh/kg and 921 Wh/L

SiNode Systems

SiNode的技術是獨有的硅合金-石墨烯結構。17年SiNode開發了一種新型碳包覆方法，用于在石墨烯包裹之前穩定SiOx活性顆粒的表面和SEI膜。通過碳包覆，SiOx(i.e.,>1500 mAh/g)的首效超過79%，非常接近目標值80%。現在可以月生產2kg。

合作方A123已經可以實現實驗室規模的負極（1000mAh/g）涂布。與NCA正極制備成全電池，使用含10%和20%FEC電解液的兩種電芯的循環性能相當。

小結

1）350Wh/kg電芯，正極采用高鎳材料，負極為SiO負極，SiO含量30~50%；

2）電芯為軟包，容量在40~60Ah。循環性能較差，300Wh/kg的電芯循環約500次；

3）采用預鋰工藝，提高首效。優化電解液配方，提高SEI成膜穩定性和電芯性能。調控負極結構和配方，減少負極破碎和粉化。