中國粉體網(wǎng)訊 動(dòng)力電池的總體發(fā)展方向，應(yīng)該是在滿足安全性、循環(huán)壽命等指標(biāo)的情況下，大幅提高能量密度，而能量密度的提高也會(huì)帶來成本的大幅度降低。那么，如何實(shí)現(xiàn)電池比能量的提高呢？

常規(guī)的動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展路線認(rèn)為，近期（2020年）的目標(biāo)是高鎳三元正極、硅碳負(fù)極實(shí)現(xiàn)300瓦時(shí)/公斤；中期（2025年）的目標(biāo)是基于富鋰錳基和高容量硅/碳負(fù)極，實(shí)現(xiàn)單體400瓦時(shí)/公斤；遠(yuǎn)期是開發(fā)鋰硫、鋰空氣電池，實(shí)現(xiàn)單體比能量500瓦時(shí)/公斤。

這個(gè)路線是否可行？

從目前的技術(shù)條件來看，除安全性還不太確定外，在2020年電池比能量達(dá)到300瓦時(shí)/公斤是沒有什么技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，400瓦時(shí)/公斤的電池要求正極容量達(dá)到250毫安時(shí)/克，負(fù)極容量達(dá)到800毫安時(shí)/克，這個(gè)要求也都有明確相應(yīng)的材料體系對(duì)應(yīng)，比如富鋰錳基可以達(dá)到250、280甚至300毫安時(shí)/克的容量，硅碳達(dá)到800也沒問題。所以，普遍認(rèn)為的近、中期技術(shù)路線總體上是可行的。

遠(yuǎn)期目標(biāo)中的鋰硫、鋰空氣電池理論上達(dá)到比能量指標(biāo)沒有任何問題，比如鋰硫電池的理論比能量為2600瓦時(shí)/公斤，鋰空氣電池在不考慮空氣質(zhì)量的情況下，理論比能量可以達(dá)到11000瓦時(shí)/公斤。即便只實(shí)現(xiàn)其理論能量密度的20%，也可以達(dá)到500-600瓦時(shí)/公斤，這就是為什么大家都將鋰硫、鋰空氣作為未來開發(fā)重點(diǎn)的原因。

但是，有專家認(rèn)為鋰空氣電池的實(shí)用化希望非常渺茫。其原因主要有三個(gè)。第一，鋰空氣電池要用空氣中的氧，而空氣中含有水，鋰會(huì)與水反應(yīng)，既要透氧又要防水，這是一個(gè)很難解決的問題。第二，是氧的催化還原問題。氧的反應(yīng)速度非常慢，要提高氧的反應(yīng)活性必須采用高效的催化劑，現(xiàn)在的催化劑都是貴金屬，因此，必須開發(fā)高效廉價(jià)的催化劑。第三，是金屬鋰負(fù)極的可充性問題。到現(xiàn)在為止，國際上一直沒有很大的進(jìn)展，短時(shí)間想解決這個(gè)的問題非常難。

再者，鋰硫電池也有三個(gè)難題待解決，第一是硫電極循環(huán)性能差，第二是鋰負(fù)極的可充性，也是難以短時(shí)間解決的問題。第三是鋰硫電池的體積能量密度比較低，因此在車用動(dòng)力領(lǐng)域，鋰硫電池的實(shí)用化希望很小。

修正后的遠(yuǎn)期目標(biāo)

遠(yuǎn)期目標(biāo)可以革新型鋰離子電池為重點(diǎn)，即發(fā)展基于高容量富鋰正極和硅碳負(fù)極的固態(tài)電池。由此來看，未來動(dòng)力電池的發(fā)展涉及到哪些關(guān)鍵材料呢？

第一個(gè)關(guān)鍵材料是硅碳復(fù)合負(fù)極。超過250瓦時(shí)/公斤，電池就要用到硅碳負(fù)極，硅碳負(fù)極是未來動(dòng)力電池發(fā)展的關(guān)鍵材料。但是硅的問題在于鋰化過程中，它的體積膨脹非常大，會(huì)導(dǎo)致材料顆粒的粉化、電極脫粉。目前可通過將硅納米化和采用表面鍵合粘結(jié)劑較好地解決這兩個(gè)問題。

第二個(gè)關(guān)鍵材料是富鋰錳基正極。富鋰錳基具有250毫安時(shí)/克以上的可實(shí)現(xiàn)容量，是鋰離子電池突破400瓦時(shí)/公斤、甚至500瓦時(shí)/公斤的技術(shù)關(guān)鍵。富鋰錳基有高容量的特征，但問題是電壓衰減非常嚴(yán)重，隨著電壓越來越低，電池的能量密度也越來越低。另外，它的離子擴(kuò)散系數(shù)和電子電導(dǎo)也非常低，倍率性能也比較差。目前改善富鋰錳基正極的主要工作包括：組成優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備工藝優(yōu)化，表面改性等。

另一個(gè)材料是功能電解液。對(duì)于以后的高鎳三元、富鋰錳基正極，功能電解液的作用更大。高鎳三元隨著鎳含量的增加其穩(wěn)定性變差，另外就是它對(duì)電解液的氧化分解具有很強(qiáng)的催化作用。目前的解決思路是采用含CN-集團(tuán)的添加劑來絡(luò)合表面偏析的鎳離子。此外，對(duì)于硅基負(fù)極而言，添加劑開發(fā)的主要方向是高韌性成膜劑。添加添加劑后，電池在效率、循環(huán)性等方面均可得到大幅度改善。

下一代動(dòng)力電池的技術(shù)問題

第一，解決安全性問題。300瓦時(shí)/公斤的電池2020年能不能真正裝車？實(shí)際上是取決于安全性問題。解決安全性問題，要從材料、單體、系統(tǒng)全方位地開展工作。材料是基礎(chǔ)，什么材料就決定了什么樣的安全性；單體是關(guān)鍵，好和壞是由單體決定的；系統(tǒng)是保障，鋰離子單體發(fā)生了熱失控也不至于把其他的都引發(fā)。

解決安全性問題的第一種思路是，發(fā)展電池自激發(fā)熱保護(hù)技術(shù)。簡單的辦法是將PTC材料用于電池中，實(shí)現(xiàn)溫度敏感。第二個(gè)思路是，發(fā)展全固態(tài)電池。實(shí)際上從提高體積能量密度來講，全固態(tài)電池也非常有前景。全固態(tài)和液體比較，主要優(yōu)勢是高安全性，另一個(gè)特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)串聯(lián)，有利于模塊和系統(tǒng)能量密度的提升。針對(duì)其存在的問題，固體電池整個(gè)研發(fā)的重點(diǎn)之一應(yīng)是固體電解質(zhì)的選擇。

第二，高載量電極的設(shè)計(jì)技術(shù)問題。隨著以后能量密度的提高，這個(gè)問題會(huì)更突出。隨著能量密度提高，例如一個(gè)單體100瓦時(shí)/公斤，現(xiàn)在變成300瓦時(shí)/公斤，意味著單位重量的材料所承擔(dān)的電流同步提高，因此對(duì)于今后的高能量密度電池，保持功率性能非常難。既要保證高能量密度、又要保證功率性能，需要設(shè)計(jì)一種梯度孔隙分布的電極。

全固態(tài)電池材料與技術(shù)

面向2020年及以后的動(dòng)力電池能量密度發(fā)展要求，通過采用容量約500毫安時(shí)/克的納米硅/碳復(fù)合負(fù)極材料和高容量鎳基層狀氧化物或富鋰錳基正極材料，鋰離子電池的能量密度預(yù)計(jì)可以達(dá)到300～350 瓦時(shí)/公斤。但是要實(shí)現(xiàn)能量密度大于500瓦時(shí)/公斤的目標(biāo)，含可燃液體電解質(zhì)的電池體系就無能為力，需要盡快研發(fā)固態(tài)電池體系。固態(tài)鋰電池有望成為下一代車用動(dòng)力電池主導(dǎo)技術(shù)路線。

固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵是固態(tài)電解質(zhì)材料，現(xiàn)有的無機(jī)固體電解質(zhì)和高分子聚合物電解質(zhì)材料，沒有一種既有高離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度又有良好的加工性能，故此需要開發(fā)出聚合物/陶瓷復(fù)合材料，以滿足固態(tài)電池的所有要求。

全固態(tài)鋰電池的技術(shù)優(yōu)勢比較明顯，但是也存在一些問題。第一個(gè)問題是固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率偏低。第二個(gè)問題就是固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差。第三個(gè)問題是金屬鋰的可充性問題。基于這些問題，特別是固態(tài)界面接觸性/穩(wěn)定性和金屬鋰的可充性問題，真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)，現(xiàn)在仍然是不成熟的，還存在技術(shù)不確定性。目前有突破的，有性能優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化前景的，主要是固態(tài)鋰離子電池。

總體上看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最后到全固態(tài)。至于負(fù)極，可能是從石墨負(fù)極，到硅碳負(fù)極，最后有可能到金屬鋰負(fù)極，但是目前還存在技術(shù)不確定性。

參考文章：

陳立泉：動(dòng)力電池該如何布局？

歐陽明高：2017年動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢

艾新平：下一代動(dòng)力電池關(guān)鍵材料與技術(shù)