探討：動(dòng)力鋰電池核心技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

日前，國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池行業(yè)大新聞?lì)l頻爆出，先是上汽切入動(dòng)力電池板塊，與國(guó)內(nèi)第二大、全球第三大動(dòng)力電池企業(yè)寧德時(shí)代聯(lián)姻，成立動(dòng)力電池系統(tǒng)公司；隨后有消息稱比亞迪將分拆動(dòng)力電池部門，開放門戶或向所有車企供貨，有報(bào)道稱這一舉動(dòng)或?qū)⒏淖內(nèi)蚴袌?chǎng)格局。而且，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車市場(chǎng)連續(xù)兩年產(chǎn)銷量居世界第一，累計(jì)推廣超過100萬輛，占全球市場(chǎng)保有量50%以上。中國(guó)超越美國(guó)坐上電動(dòng)汽車市場(chǎng)的頭把交椅，可以說電動(dòng)汽車行業(yè)前景無限、發(fā)展迅猛，其關(guān)鍵在于動(dòng)力電池技術(shù)水平的提高。

電動(dòng)汽車的發(fā)展需要更好的電池，動(dòng)力蓄電池的比能量、壽命、安全性和價(jià)格，對(duì)純電驅(qū)動(dòng)汽車的發(fā)展至關(guān)重要。其中具有比能量高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池是目前最具實(shí)用價(jià)值的電動(dòng)汽車電池，在混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車上均得到廣泛應(yīng)用。目前商用動(dòng)力電池的技術(shù)水平和未來10年預(yù)期可達(dá)到的目標(biāo)見圖1，而實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)中往往這些指標(biāo)又是互相矛盾的，電池相關(guān)性能需要權(quán)衡考慮。電池性能的提高需兼顧電極材料、電解液、隔膜的性能，同時(shí)裝配技術(shù)、電池系統(tǒng)成組、管理技術(shù)的跟進(jìn)也至關(guān)重要。本文旨在從電池材料技術(shù)、單體電池設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、電池系統(tǒng)技術(shù)等方面總結(jié)目前以鋰離子電池為核心的動(dòng)力電池發(fā)展成就，同時(shí)展望未來！

圖1 現(xiàn)有動(dòng)力電池的技術(shù)指標(biāo)以及未來10年的發(fā)展目標(biāo)

1、鋰電材料技術(shù)

正負(fù)極材料

鋰電正負(fù)極材料體系非常豐富（圖2），目前，鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳鋰等正極材料研究已趨于成熟。鈷酸鋰材料比容量有200-210mA·h/g，其材料真密度和極片壓實(shí)密度均是現(xiàn)有正極材料中最高的，商用鈷酸鋰/石墨體系的充電電壓可提升4.40V，已經(jīng)可滿足智能手機(jī)和平板電腦對(duì)高體積能量密度軟包電池的需求。錳酸鋰原料成本較低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性高、耐過充性好、放電電壓平臺(tái)高、安全性高。適合作為輕型電動(dòng)車輛的低成本電池，但存在理論容量比較低，循環(huán)過程中可能有錳元素的溶出影響電池在高溫環(huán)境中的壽命等問題。國(guó)內(nèi)錳酸鋰材料主要滿足移動(dòng)電源、電動(dòng)工具和電動(dòng)自行車市場(chǎng)的需求，有向低端發(fā)展的趨勢(shì)。NCM三元層狀正極材料主要應(yīng)用于動(dòng)力型電池，除鎳、鈷、錳各占1/3的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在動(dòng)力電池中的應(yīng)用較為成熟外，較高容量的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2也已經(jīng)進(jìn)入批量應(yīng)用，一般與錳酸鋰混合應(yīng)用于電動(dòng)車輛電池。鋁摻雜的鋰鎳鈷氧（NCA）能量密度可接近高電壓鈷酸鋰電池，近幾年電動(dòng)汽車廠商特斯拉將這種電腦電池用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，該材料也可以與錳酸鋰混合用于制造車用動(dòng)力電池，國(guó)內(nèi)NCA前驅(qū)體已形成穩(wěn)定產(chǎn)能，少數(shù)企業(yè)已完成NCA正極材料開發(fā)，處于產(chǎn)品推廣過程中。磷酸鐵鋰電池安全性高、壽命長(zhǎng)，目前納米化的功率型材料和高密度的磷酸錳鐵鋰材料發(fā)展速度較快，高能量型和高功率型材料的性能趨于穩(wěn)定，成本進(jìn)一步降低，逐步滿足了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求和現(xiàn)階段中國(guó)新能源汽車推廣的需要，高電壓尖晶石鎳錳酸鋰和高電壓高比容量富鋰錳基正極材料仍在研發(fā)之中。

圖2 鋰離子電池電極材料體系

負(fù)極材料

可用于動(dòng)力電池的負(fù)極材料有石墨、硬/軟碳以及合金材料，石墨是目前廣泛應(yīng)用負(fù)極材料，可逆容量已能達(dá)到360mA·h/g。無定形硬碳或軟碳可滿足電池在較高倍率和較低溫度應(yīng)用的需求，開始走向應(yīng)用，但主要是與石墨混合應(yīng)用。鈦酸鋰負(fù)極材料具有最優(yōu)的倍率性能和循環(huán)性能，適用于大電流快充電池，但生產(chǎn)的電池比能量較低且成本較高。納米硅在20世紀(jì)90年代即被提出可用于高容量負(fù)極，通過少量納米硅摻雜來提升碳負(fù)極材料容量是目前研發(fā)的熱點(diǎn)，添加少量納米硅或硅氧化物的負(fù)極材料已開始進(jìn)入小批量應(yīng)用階段，可逆容量達(dá)到450mA·h/g。但因鋰嵌入硅后導(dǎo)致其體積膨脹，在實(shí)際使用時(shí)循環(huán)壽命會(huì)出現(xiàn)降低的問題有待進(jìn)一步解決。

電解液

鋰離子電池電解液一般以高介電常數(shù)的環(huán)形碳酸酯與低介電常數(shù)的線性碳酸酯混合。一般來說鋰離子電池的電解質(zhì)應(yīng)該滿足離子電導(dǎo)率高（10-3~10-2S/cm）、電子電導(dǎo)低、電化學(xué)窗口寬（0~5V）、熱穩(wěn)定性好(-40~60℃)等要求。六氟磷酸鋰及其它新型鋰鹽、溶劑提純、電解液配制、功能添加劑技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，目前的發(fā)展方向是進(jìn)一步提高其工作電壓和改善電池高低溫性能，安全型離子液體電解液和固體電解質(zhì)正在研制中。

隔膜

聚烯烴微孔膜以其優(yōu)良的力學(xué)性能、良好電化學(xué)穩(wěn)定性以及相對(duì)廉價(jià)的特點(diǎn)，是目前鋰離子電池隔膜市場(chǎng)的主要品種[7]。包括聚乙烯（PE）單層膜、聚丙烯（PP）單層膜以及PP/PE/PP三層復(fù)合微孔膜。國(guó)內(nèi)采用干法工藝生產(chǎn)的廠家較多，濕法工藝PE隔膜也已經(jīng)有多家企業(yè)可以量產(chǎn)。隨著陶瓷涂層技術(shù)得到了推廣，耐高溫和高電壓的隔膜將成為是未來的研發(fā)方向。

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