錳酸鋰電池會(huì)是下一位“新秀”嗎？

繼鈉離子電池之后，動(dòng)力電池的下一位“新秀”會(huì)是誰(shuí)?

8月9日，星恒電源股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“星恒電源”)與天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院有限公司(TIES)攜手，共同創(chuàng)立“雙子星聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，致力于進(jìn)行“耐高溫、長(zhǎng)壽命、高安全的錳酸鋰材料和電池技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目”研究。

如今，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池在乘用車領(lǐng)域都擁有眾多的用戶。這兩種動(dòng)力電池成為了市場(chǎng)主流，為何雙子星聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室還要聚焦錳酸鋰電池?《中國(guó)汽車報(bào)》記者帶著疑問(wèn)，獨(dú)家專訪了TIES院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院物理所研究員李泓。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很突出

在人們的印象中，電動(dòng)汽車普遍使用三元鋰或磷酸鐵鋰電池，在市場(chǎng)上很少看到配裝錳酸鋰電池的車型，造成這種現(xiàn)象的原因是什么?

李泓告訴記者，大家一直比較關(guān)注電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，動(dòng)力電池的能量密度越高，單次充電續(xù)駛里程越長(zhǎng)。三元鋰電池的能量密度可達(dá)300Wh/kg，因此在乘用車上具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)地位。不過(guò)，由于需要使用鈷、鎳等金屬材料，導(dǎo)致它的成本高于磷酸鐵鋰電池。

隨著CTP、刀片電池技術(shù)的進(jìn)步以及整車對(duì)電池包體積的優(yōu)化，電動(dòng)汽車配裝磷酸鐵鋰電池也能達(dá)到500～600公里的續(xù)駛里程，基本上能消除人們的里程焦慮。再加上其成本明顯低于三元鋰電池，而且安全性較好，近一段時(shí)間以來(lái)磷酸鐵鋰電池的產(chǎn)量和裝機(jī)量不斷擴(kuò)大。

錳酸鋰電池的能量密度不及上述兩種動(dòng)力電池，循環(huán)壽命、高溫儲(chǔ)存特性也存在短板。不過(guò)，它也有著突出的優(yōu)點(diǎn)。“錳酸鋰電池的成本比磷酸鐵鋰電池低，快充性能表現(xiàn)良好，低溫性能也非常突出。在鋰電池的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，大規(guī)模應(yīng)用、取得優(yōu)勢(shì)地位的關(guān)鍵還在于成本、安全等幾項(xiàng)因素。”李泓認(rèn)為。

李泓告訴記者，錳酸鋰材料比磷酸鐵鋰的成本低20%～30%。另外，錳酸鋰電池的電壓較高，達(dá)到3.9V，磷酸鐵鋰電池為3.4V，三元鋰電池為3.7V。電壓高意味著電池PACK可以使用較少的電芯，錳酸鋰電池包既可以少裝電芯降低成本，又表現(xiàn)出體積優(yōu)勢(shì)，PACK的成本明顯低于三元鋰或磷酸鐵鋰電池。

錳酸鋰電池的安全性則介于三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池之間。李泓指出，磷酸鐵鋰電池的安全問(wèn)題主要來(lái)自負(fù)極，三元鋰電池的安全問(wèn)題來(lái)自正極的因素更加突出。錳酸鋰是尖晶石結(jié)構(gòu)，比層狀氧化物的穩(wěn)定性好，磷酸鐵鋰中磷酸根中的氧更難析出，穩(wěn)定性強(qiáng)于錳酸鋰電池。

錳酸鋰電池有改良空間

三元鋰電池能量密度的極限在哪里?目前，業(yè)界還沒(méi)有給出準(zhǔn)確的答案。不過(guò)，人們對(duì)于磷酸鐵鋰的極限值基本已形成共識(shí)，約為170mAh/g，目前其潛力挖掘已達(dá)到165mAh/g。錳酸鋰的理論克容量約為144mAh/g，現(xiàn)有錳酸鋰電池的克容量為114～117mAh/g，其能量密度還有較大提升空間。

錳酸鋰電池的高溫穩(wěn)定性不如磷酸鐵鋰電池，但也有改進(jìn)辦法。據(jù)李泓介紹，他們?cè)谧龉虘B(tài)電池的時(shí)候，把高鎳三元材料表面經(jīng)過(guò)固態(tài)電解質(zhì)處理，可以防止氧析出以及熱失控，降低表面氧化能力。對(duì)錳酸鋰材料進(jìn)行改性，也有機(jī)會(huì)提高電池高溫穩(wěn)定性;另外，在負(fù)極側(cè)進(jìn)行固態(tài)化處理，也可防止析鋰及帶來(lái)的副反應(yīng)。

改進(jìn)不僅于此，隔膜技術(shù)提高也為錳酸鋰電池的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了希望——中間的隔膜經(jīng)過(guò)涂層后，熱收縮溫度能達(dá)到較高的水平，使安全性顯著提升。據(jù)悉，涂層的固態(tài)化可以改善正負(fù)極與隔膜的界面接觸，有利于防止正極錳溶解后向負(fù)極擴(kuò)散，發(fā)生熱失控的幾率將進(jìn)一步降低，或顯著提高熱失控的溫度。

李泓說(shuō)：“錳酸鋰電池改性的第一步是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)固態(tài)化，下一步要嘗試全固態(tài)。這些都實(shí)現(xiàn)后，錳酸鋰電池的安全性、耐高溫性能、循環(huán)性能將顯著提升。”他還告訴記者，在正極材料不變的情況下，從人造石墨負(fù)極到納米硅碳負(fù)極再到鋰碳復(fù)合負(fù)極，錳酸鋰電池電芯的能量密度能提升至240～250Wh/kg以上。未來(lái)，隨著電解質(zhì)耐氧化電位的提高及固態(tài)電解質(zhì)的引入，其正極材料還有可能進(jìn)一步升級(jí)為放電電壓在4.8V，可逆容量在135mAh/g的鋰鎳錳氧(LiNi0.25Mn1.5O4)。這類材料與錳酸鋰晶體結(jié)構(gòu)一致，含鎳量較低，直接與石墨匹配后的能量密度可以提升至240Wh/kg，未來(lái)與納米硅碳等復(fù)合，有望超過(guò)280Wh/kg。另外，還有一類高錳基正極材料，其材料可逆容量高達(dá)300mAh/g以上，只是目前在循環(huán)過(guò)程中存在電壓衰減明顯、倍率性能相對(duì)較差、循環(huán)性不到1000次以上、高溫脹氣等問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

隨著技術(shù)瓶頸不斷突破，這些新材料一旦開(kāi)發(fā)成功，將顯著推動(dòng)錳基正極材料的應(yīng)用，從資源可持續(xù)性、降低成本、提高綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性方面考慮，有望占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。

或與三元材料“結(jié)合”出更大前景

國(guó)家電動(dòng)乘用車技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟技術(shù)委員會(huì)原主任、國(guó)家新能源汽車創(chuàng)新工程專家組原組長(zhǎng)王秉剛曾告訴記者，日產(chǎn)聆風(fēng)幾乎沒(méi)有過(guò)重大起火事故。記者查詢資料后發(fā)現(xiàn)，該款車使用錳酸鋰電池，與大多數(shù)電動(dòng)汽車有顯著區(qū)別。

李泓告訴記者，日產(chǎn)聆風(fēng)并不單純使用錳酸鋰電池，而是錳酸鋰與三元鋰電池混搭使用。兩種正極材料混用，不僅在汽車上存在，在其他使用場(chǎng)景，如消費(fèi)電子產(chǎn)品、無(wú)人機(jī)上也常見(jiàn)。“錳酸鋰電池正極中摻雜三元材料，可以通過(guò)離子交換反應(yīng)，抑制錳溶解，提升錳酸鋰正極材料的高溫和循環(huán)性能，同時(shí)提升能量密度。”他解釋說(shuō)。

據(jù)悉，由于錳基電池有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不僅國(guó)內(nèi)多家企業(yè)涉足，AESC、LG化學(xué)、東芝、日立、LEJ等日韓企業(yè)也生產(chǎn)錳酸鋰電池或在三元鋰電池里摻雜錳酸鋰材料。在今年3月舉行的大眾汽車“電池日”活動(dòng)上，該公司就明確表示，將大力研發(fā)高錳電池。

記者了解到，雙子星聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建方之一星恒電源，曾由中科院物理所孵化，一直致力于錳酸鋰電池的開(kāi)發(fā)，已成為國(guó)內(nèi)最大的錳酸鋰電池研發(fā)與生產(chǎn)企業(yè)。星恒電源與TIES聯(lián)合成立實(shí)驗(yàn)室，就是希望通過(guò)逐步導(dǎo)入納米固態(tài)電解質(zhì)、納米硅碳負(fù)極、固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合隔膜等新技術(shù)，開(kāi)發(fā)更耐高溫、長(zhǎng)壽命、本質(zhì)安全的錳酸鋰材料和電池技術(shù)，逐漸實(shí)現(xiàn)錳酸鋰電池從液態(tài)到準(zhǔn)固態(tài)，到未來(lái)爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)全固態(tài)，從而顯著提升錳酸鋰電池的能量密度、循環(huán)壽命、安全性，同時(shí)發(fā)揮其低成本、高倍率、低溫性能好的優(yōu)點(diǎn)。“這項(xiàng)技術(shù)如果研發(fā)成功，在電動(dòng)輕型車和電動(dòng)汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域?qū)⒕哂袕?qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。”李泓說(shuō)。

“隨著新能源汽車補(bǔ)貼退坡直至取消，減少資源依賴，減少鋰電池中鈷和鎳的含量甚至完全不使用鈷和鎳，從而減低動(dòng)力電池成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力成為企業(yè)考慮的頭等大事。錳酸鋰電池以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到人們的重視，與改性后的三元材料結(jié)合，既改善電池包性能，又能控制成本，預(yù)計(jì)未來(lái)市場(chǎng)份額可達(dá)25%以上。”李泓認(rèn)為。