張婷婷

摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋰電池在各類電氣產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛。因其具有效率高、使用壽命長、輸出功率大及綠色環(huán)保等優(yōu)勢，鋰電池在人們的日常生活中的使用率逐漸提升。現(xiàn)階段鋰電池的研究與應(yīng)用仍處于高速的發(fā)展中。基于此，本文介紹了現(xiàn)階段鋰電池行業(yè)的科技動(dòng)態(tài)，對其研究進(jìn)展進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;科技動(dòng)態(tài);應(yīng)用

鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極。具有體積小、容量大、重量輕、無污染、能量密度高、自放電率低等特點(diǎn)，是公認(rèn)的高端、新型電池產(chǎn)品。被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)玩具、照相機(jī)以及電動(dòng)汽車、摩托車啟動(dòng)電源等產(chǎn)品中。

1.210mAh/g！高鎳單晶材料核心技術(shù)獲突破！

近年來中國新能源汽車市場快速發(fā)展，2018年中國新能源汽車產(chǎn)銷量雙雙突破120萬輛，中國已經(jīng)成為全球最大的新能源汽車市場。在乘用車領(lǐng)域，新推出的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程不斷增加，多款車型的NEDC綜合工況續(xù)航里程最大可達(dá)500km以上，極大的提高了電動(dòng)汽車的使用便利性。

不斷提高的續(xù)航里程對動(dòng)力電池的能量密度也提出了越來越高的要求，例如發(fā)改委在2019年公告的新能源車型中就有部分車型的動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度達(dá)到180Wh/kg以上，這就要求動(dòng)力電池單體能量密度至少達(dá)到250Wh/kg以上。

提高動(dòng)力電池能量密度的核心在于高容量正、負(fù)極材料的開發(fā)[1]，我們以正極材料為例，目前主流的正極材料已經(jīng)從傳統(tǒng)的NCM111材料逐漸過渡到NCM523和NCM622，正極材料的容量從140mAh/g左右提升到170mAh/g左右，動(dòng)力電池的能量密度也提高到了230-260Wh/kg。

進(jìn)一步提升正極材料的容量主要可以從兩個(gè)方面進(jìn)行著手：1）提高Ni含量，更高的Ni含量能夠帶來更高的比容量，例如NCM811材料可逆容量可達(dá)190-207mAh/g，如果進(jìn)一步將Ni含量提高到0.9則容量還能進(jìn)一步提升到210-220mAh/g左右;2）提高充電電壓，無論是NCM811，還是NCM622理論容量都在270mAh/g左右，在不改變材料成分的前提下可以通過提升充電電壓的方式達(dá)到提升材料容量的目的，例如NCM622材料在4.3V的容量在176mAh/g左右，但是如果將充電電壓提高到4.5V和4.7V則其容量可以達(dá)到201.3和218.1mAh/g。

2.更安全，更長壽！LFP與NCA材料的奇妙化學(xué)反應(yīng)

近日，近日南京大學(xué)、南京理工大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)的Junchao Chen（第一作者）和Weiping Tang（通訊作者）、Tao Liu（通訊作者）等人通過在NCA表面包覆一層LiFePO4納米顆粒，不但顯著改善了NCA材料在4.5V下的循環(huán)性能，還提升了材料的熱穩(wěn)定性，對于高鎳材料的推廣應(yīng)用具有重要的意義。

實(shí)驗(yàn)中作者首先將NCA和LFP材料按照90：10的比例進(jìn)行固相混合，然后在400℃下焙燒1h。NCA二次顆粒的表面均勻包覆了一層LFP材料，厚度約為100nm， LFP和NCA顆粒之間形成了良好的界面。脫Li后NCA材料有兩個(gè)半圓，其中高頻區(qū)的為界面膜阻抗，低頻區(qū)的為電荷交換阻抗，通過對比可以發(fā)現(xiàn)NCA-LFP材料的界面膜阻抗和電荷交換阻抗都要明顯小于普通NCA材料。

3.雙電場抑制鋰枝晶生長讓金屬鋰電池壽命提升5倍

近日，中科院北京過程工程研究所的Yongxiu Chen（第一作者）和Yongsheng Han（通訊作者）等人通過采用外部交流電場和直流電場的方式提高了Li+的擴(kuò)散能力，從而抑制了Li枝晶的產(chǎn)生和生長，大幅延長了鋰金屬二次電池的使用壽命。

金屬Li枝晶的產(chǎn)生和生長主要是因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)的速度與Li+擴(kuò)散的速度不匹配，Yongxiu Chen通過使用交流電場和直流電場的方式，提高了Li+的擴(kuò)散速度和Li+在負(fù)極表面的均勻性，從而顯著減少了負(fù)極表面的極化現(xiàn)象，抑制了鋰枝晶的生長，從而有效的提高了鋰金屬二次電池的使用壽命[3]，對于未來鋰金屬二次電池的開發(fā)起到了非常好的啟示作用。

4.500Wh/kg電池應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)

近日，崔屹、Goodenough等大神們在Nature Energy上發(fā)文共同探討了Li金屬電池實(shí)現(xiàn)350-500Wh/kg的技術(shù)路徑。

高比能電池的設(shè)計(jì)需要首先從高性能的正負(fù)極材料選擇開始，負(fù)極材料Li金屬（3860mAh/g，-3.04V vs 標(biāo)準(zhǔn)氫電極）無疑是最為合適的負(fù)極材料選擇，高鎳三元材料是目前大規(guī)模應(yīng)用的容量最高的正極材料（最高可達(dá)200mAh/g），因此Li/高鎳三元體系是目前最佳的實(shí)現(xiàn)500Wh/kg的材料體系[4]。下圖對比了不同的電池參數(shù)最終得到的電池能量密度，其中第一個(gè)柱形圖作為基準(zhǔn)對照組，其正極采用NCM622材料，正極厚度為70um，孔隙率35%，電解液量為3.0g/Ah，根據(jù)計(jì)算在這一體系下電池的重量能量密度最高能夠達(dá)到350Wh/kg，如果我們進(jìn)一步降低電解液的比例到2.4g/Ah（第二個(gè)柱形圖），則電池的能量密度還能夠進(jìn)一步提升到370Wh/kg左右，如果我們進(jìn)一步降低正極孔隙率（25%）和電解液比例（2.1g/Ah），則電池的能量密度還會(huì)進(jìn)一步提升，但是注液量過少會(huì)對金屬鋰電池的循環(huán)產(chǎn)生負(fù)面影響。如果要實(shí)現(xiàn)400Wh/kg的能量密度則我們還需要進(jìn)一步的提升正極材料的容量到220mAh/g，這就需要三元材料的Ni含量達(dá)到0.9左右，目前商業(yè)化的三元材料還未見到類似的產(chǎn)品。在電池中非活性物質(zhì)例如集流體、包裝結(jié)構(gòu)等在電池重量中占據(jù)了非常大的比重，因此如果能夠?qū)⑦@些非活性物質(zhì)的重量降低50%則能夠進(jìn)一步將電池的能量密度提高到500Wh/kg。如果正極材料的容量能夠進(jìn)一步提升至252mAh/g，則電池的能量密度還能夠進(jìn)一步的提升達(dá)到550Wh/kg左右。

5.結(jié)語

鋰電池一直處于不斷地研究與發(fā)展中，廣泛的應(yīng)用到各種行業(yè)領(lǐng)域中，給人們的日常生活帶來了諸多便利。

參考文獻(xiàn)

[1]李歡，江奇，邱家欣，劉青青，高藝珂，盧曉英，胡愛琳. LiNi0.8Co0.2-2xAlxMnxO2材料的制備與電化學(xué)儲(chǔ)能性能[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào). 2018（06）

[2]李旺，周蘭，劉佳麗.鎳錳酸鋰正極材料及其適配性電解液研究最新進(jìn)展[J]無機(jī)鹽工業(yè)2019.06（51）

[3]周寶林，周全.充放電倍率對電池一致性衰減影響的研究與對策[J]蓄電池2018.07

[4]宋劉斌，李新海，王志興等.鋰離子電池充放電過程中的熱行為及有限元模擬研究[J]功能材料2012.12