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成都佰思格科技有限公司 李响:高容量钠电硬炭负极材料产业化研究

一、公司介绍

佰思格是国内首家量产钠电和锂电硬炭材料的公司。目前公司竞争优势比较明显,性能明显优于进口产品,同时售价是进口产品的一半甚至更低。当前的市场定位是在钠电和锂电这两个方向。公司一直致力于钠电/锂电“卡脖子”核心材料的国产化、产业化应用以及产业链安全方面起到一些作用。

公司的创始人一共有两位。谢皎博士是清华大学材料学博士,最早在我国头部电芯厂组建了第一个动力电池产业化团队,15年工作经历,有着比较丰富的电池研发、储能以及就是快充等相关电化学性能研发和测试经验,积累了大量的一线产业化方面工作经验。另一位联合创始人王瑨博士是天大的化工博士、遂宁市学术带头人。王博士在参加工作以后,所参与的所有碳材料相关研究,无一例外全部实现了产业化,有着17年的碳材料研发经验。公司核心团队成员均毕业于国内外知名化工院校,具有强大的自主研发和创新能力。

研发历程:以2008年两位核心成员在Carbon期刊发表碳材料论文为起点。2009年到公司成立之前,历经2000+ci材料制备和600+次全电池的评测。在这个过程中积累了丰富的产业化方面的实践经验。两位创始人在电池方向和整个材料开发方向,经历了克级-公斤级-百公斤级-吨级的过程。

18年公司成立至今,每一年都至少有一项重要的技术突破。投融资方面,已经经历了6轮的融资。目前的公司估值是20个亿,参加了《硬炭》国家标准编制,并且当前也正在参与钠电的两项非常重要的行业标准的编制工作。

公司目前的股权结构,除了产业资本,也有鹏辉能源、蜂巢能源以及雄韬电源此类公司,代表了对佰思格产品和技术方面的认可。

二、研究背景

外因:主要是锂资源的严重短缺造成了这两年来碳酸锂价格的高起,对下游电芯厂商造成了不小压力。内因:钠离子电池经历这几年持续的研发资金投入和产业化的尝试,发展进入快车道。同时22年上半年有相关匹配政策的颁布,坚定了整个产业界科研方面的持续投入。

目前仍处于钠离子产业化初期。负极材料方面,目前硬炭是钠电唯一可用的量产负极材料,当前的材料需求缺口也非常大。虽然目前处于初级阶段的状态,但是钠电本身在材料端的增长率非常高的,包括电芯端。

三、技术路线

硬炭材料本身短程有序、长程无序的结构,决定了其低膨胀的特性。同时其乱层、微孔结构都有利于钠离子的存储。因此相较于石墨,硬炭更适合做储钠的负极材料。

在整个的产业化的过程中,主要有五项需要突破的关键技术。1)生物质原料的筛选与预处理,目前是着重研究的部分。2)研究微观结构及构效关系,经历了多批次的实验室制备以及相关参数的调控。3)中试放大。不仅涉及设备本身的选型,也有整个工艺方面相关调整调整。4)批次一致性验证,这方面着力较多。5)生产线建设。有过百公斤级的量产之后就开启生产线建设的相关工作。

生物质原料的筛选与预处理方面,硬炭主要有生物质、有机聚合物和化石燃料三个方向。在这之中需要选择成本低廉、产炭率高、灰分含量低的原材料。下一步在做机理、工艺方面的攻关。在这之中,将实验室工艺技术、中试放大工艺技术和生产工艺技术合并成高性能钠电池硬炭负极材料工艺包技术。公司希望将产业化过程中所有阶段相关研究中的成型经验固化下来,形成类似石化过程的工艺包。

路线图总结。①整体原料的筛选,然后在实验室过程中研究工艺对质量的影响,并通过表征看到形貌结构,为第二步在实验室批量制备高性能材料提供基础数据。②更加系统地用表征手段去看孔分布、微观晶型及表面化学性质表征,并进一步认识脱/嵌钠机理的过程。③实验室过程通过后,进入和中试衔接的重要阶段。主要是化工工程的“三传一反”,需要用工艺设计的方式进行相关设备的选型和优化。批次一致性验证和质量管控在这个阶段也是尤为重要。④中试过程中,顺利通过百公斤级甚至是吨级的制备后,最终进入量产阶段。除了三传一反平衡方面和设备商共同设计的非标设备外,还有就是改进,形成关键设备。在这过程中还需确定相关匹配设备。最终达到经济效益、市场需求、环境影响等方面的需求满足。

由于不同厂商需求、不同硬炭材料,工艺步骤存在差异性。这个工艺步骤仅供参考。特别指出无论哪个阶段,都需要有一些各类性质表征。比如原料检测,就是在生物质原材料筛选与预处理之后,会对其进行一些表征,然后在炭化阶段、粉碎、沉积、改性,包括最后半电池、全电池的性能测试,都必须经历这个过程。所以在这个过程中,必须配备相关表征手段(无论自由或第三方租用)对数据进行及时准确的反馈。

佰思格目前量产成熟的产品主要有三款。YHC-2与NHC-2主要用于对容量要求不是很高的场合,成本相较高容量也低一些。高容量主要用在对能量密度、压实密度要求比较高的场合。

NHC-2只用于低成本、能量密度要求不是很高的场合。这也是唯一可以合成出来的球形材料。这个材料在加工性能上在某些类别的电池里是YHC-2要更好。这也是因客户需求所开发出来的一种特殊结构。NHC-2表面结构孔也比较大,容量与YHC-2相仿。

第三个重点产品NHC-330,在12月份将实现千吨量产。该材料为微孔结构,因此在平台区所贡献的容量更为客观。该产品接近350的容量,且首效比较高。

以上两图为公司客户电芯厂对公司产品容量以及容量保持率循环的测试。可以看出公司第二代产品实现了对第一代产品已经优于进口产品基础上的自我超越。

当前的产品布局,第一代和第二代已经实现了批量的供应量产。第三代产品在23年Q3在实验室已经正式合成成功,最低的比容量也在360以上。同时有着间距比较高的首效和比较好的比表、压实密度。这个产品将成为公司未来直到24年产业化的重点。目前已通过了公斤级的制备,正在百公斤级的中试阶段。

四、成果转化

产业化基础:成都佰思格和四川佰思格分别作为研发中心和生产基地,各自承担着不同的角色。

生产基地规划:已经建好8000平的2栋厂房,剩余 6000平也将作为公司的炭化车间。后续可能也会规划其他生产相关的配套使用面积。

目前公司拥有46项知识产权是有46项,其中有17项发明专利。公司是国家级高企、成都市“四派人才”企业。右边展示了历年参与创业大赛相关的奖励。在科技鉴定方面,公司超快冲锂离子电池及其应用的项目被鉴定为指标先进,应用性强,已经实现了产业化,达到国际先进水平。这项技术,未来也将有望获得省部级及国家级科技相关奖项。团体标准方面,公司参与了我国首个钠离子电池行业标准《钠离子蓄电池通用规范》的编制,是参编单位中唯一一家负级材料生产商和技术提供商。

五、经验总结

经验主要有三点:组建高效协同团队、建立产业化平台、质量一致性控制。

组建高效协同团队。1)每一个环节都至少有一名核心成员在当中承担负责人的角色。从研发-中试-应用技术研究-量产每个环节都有核心团队成员发挥作用。2)在这个过程中,当然也要有研发生产相关的协同。通过在成都自建研发中心,快速与高校和科研院所建立密切的联系,包括数据方面的反馈,以及专家到生产现场进行指导。3)在工艺设计方面以及设备选型方面,公司拥有勘察设计相关的资质,并在过程中积累了关键经验。4)成本控制和产业化视角是一以贯之的思想。

建立产业化平台。1)产学研合作机制是公司目前一直实施的机构,科研机构、研发中心、生产基地的协同开发,都是为了在整个过程中拥有快速的反馈;2)搭建人才培养基地,在研发、中试及量产产线建设各环节培养高校应届毕业生以及内部人才;3)示范应用是对客户的回馈。

质量一致性控制一以贯之。1)表征手段需完善。在整个过程中,需要整根据客户的需求去对标所有的表征性质;2质量控制参数需与下游客户需求严格对标。3)质量数据迅速可追溯&数据便捷可视化。发现产品异常,要在短期内甚至是分钟级别内进行定位。其次生产每个环节都有详细的数据记录、操作记录实现数据便捷可查和可视化。

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