巴斯夫中国

开发电池,驶向未来

实验室负责人Martin Schulz-Dobrick和同事正在检验电极质量。

巴斯夫日本尼崎电池材料实验室的研究人员目前正在研发创新材料,以期改善锂电池的性能,增加电动汽车的行驶里程。

周一早上9点,有机化学家关根真树(Masaki Sekine)博士坐在电脑前阅读来自巴斯夫德国总部及其他全球电池材料研发网络的同事的电子邮件。关根供职于这个研发网络的最新分部,也就是在2014年初落成启用的位于日本尼崎市的电池材料实验室。关根希望收到同事们关于他所发起的“前所未有全新分子”的工作反馈。关根所在团队负责合成用作电解液添加剂的新型物质,电解液是一种化学介质,使得锂离子在电池的正极(阴极)和负极(阳极)之间流动。新型添加剂可以影响电池内部的电化学反应,从而改变电池性能。

关根制备的添加剂种类具体取决于客户希望增强电池的哪方面性能。该实验室的客户包括许多日本的锂电池制造商,他们正在研发搭载于电动汽车的新型电池,并寻求改进锂电池的各种性能,例如提高能量密度,提升高温稳定性,或者增进循环性能,即电池的充放电次数。为制备新的添加剂,关根使用了一种有机合成工艺。添加剂的合成是在溶剂中进行的。该溶剂必须在发生反应完成后分离出去。

“添加剂提纯是上述工艺的难点。”关根表示,“很多时候,结果并不如人意。在多数情况下,单次提纯难以满足电池添加剂的对纯度的严格要求。即使是微量的杂质也会导致反应不受控制,进而严重损坏电池性能——例如增加电池不工作时也存在自放电的风险。”在一个全球网络中工作更具启发,也有助于更快获得解决方案。“我曾在合成方面遇到过困境。”关根说,“理论上有若干合成路线可用,但对我而言却行不通。那时德国的一名同事联系我,建议采用备选的催化路线,后被证明更加有效。”类似的反馈和开放协作起到了关键作用。因此,关根的下一步工作是和实验室的电化学测试小组讨论他的成果。

不停测试

韩贞姬博士是测试小组的一名成员。她来自中国延吉,于2013年加入团队,协助开发电解液配方,并为使用下一代负极材料的电池进行电化学测试。作为工作的一部分,她需要对最新合成的添加剂进行测试。

她将新的添加剂带到电池组装室,穿上工作服、戴上防护手套和护目镜之后,将添加剂加入配好的基础电解液内,然后将溶液注入测试电池中。通过这一测试,她可以检验电池的电化学特性。电池性能随使用或放置时间增加而衰减。电池的性能、使用和循环寿命等各方面都需要测试。为对电池的循环寿命进行测试,需要将电池放置于循环测试仪中,在为期数周或数月的时间内重复进行充放电。韩博士跟合成小组的同事讨论她的测试所得。她说:“因为我们比较了解电池的化学相互作用,我们能告知负责合成的同事添加剂的哪些部分能正常工作而哪些不能,以及如何优化和重新设计分子结构。”

满足不同需求

实验室进行的大量工作是为满足不同客户需求量身定制的。而这正是杉山拓(Hiromu Sugiyama)大显身手的地方。他是负责正极材料开发的高级研究员,直接面对客户帮助他们实现性能目标。他的工作包括检查正极材料的测试数据,以确保过渡金属物能满足预定的性能目标,以及检验材料的粒度和形貌是否有助或妨碍实现性能目标。

杉山于2014年加入现在的团队,他解释道:“我们必须考虑正极材料如何跟其它电池组件相互作用,因此我们跟其他研发团队密切合作,进行各种测试和分析。”

“我们在阴极和电解液材料研发方面的专长,以及团队合作能力让我们获得差异化优势。”

Martin Schulz-Dobrick博士,日本尼崎电池材料实验室负责人

同一屋檐下

“尼崎实验室在许多方面很特别。”尼崎实验室负责人Martin Schulz-Dobrick博士说,“它是巴斯夫在亚太区首个将正极材料、电极和电解液材料以及应用技术开发融为一体的设施。我们不仅从零开始对这些材料进行基础研究,还协助客户进行电池原型设计。”联合开发电解液配方就是其中一项为满足客户特定需求而进行的工作。这位实验室负责人说:“我们与客户合作设计制造测试用电池,令我们能在接近客户实际应用需求的条件下对材料进行测试,从而能够加快整个研发过程。”

重要的是,这个实验室将不同研究领域的人员集合到同一个屋檐下。“这是我们实验室的一个显著优势。”2013年被从德国总部派往日本的Schulz-Dobrick说,“我们在正极材料和电解液材料研发方面的专长,以及团队合作能力让我们获得相对于其他材料供应商的差异化优势,其他供应商通常只具备向电池制造商提供电解液或正极材料的单一能力。而我们则两者兼备。”

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