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鋰電池高能量技術(shù)研究熱點有什么?

時間:2022-08-08 14:51:10來源:鉅大LARGE

導(dǎo)語:?近期高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)走訪了50多家企業(yè)和參加多個論壇交流,發(fā)現(xiàn)目前鋰電池在高能量密度技術(shù)方面有較大突破。

  高能量密度發(fā)展路線包括:高電壓正極材料、高克容量正負(fù)極材料。高電壓正極材料通常指電池使用電壓高于4.2V的正極材料。鈷酸鋰、錳酸鋰、三元均有高電壓材料。

  其中高電壓鈷酸鋰商用化已經(jīng)很成熟,大量應(yīng)用于高端數(shù)碼類產(chǎn)品,其能量密度比普通的三元電池要高。目前高電壓鈷酸鋰電池電壓通常為4.35V,未來3-5年4.4V、4.5V高電壓鈷酸鋰電池或可大規(guī)模應(yīng)用。

  三元高電壓正極材料應(yīng)用很少,基本處于研究階段。但三元高電壓正極材料或許是未來達(dá)到300Wh/kg能量密度的突破口。

  目前三元NCM811材料克容量已經(jīng)超過180mAh/g,通過包覆或者參雜可以實現(xiàn)高電壓,同時其克容量也會進一步提高(高電壓材料相當(dāng)于將低電壓時沒有活性的鋰激活,更大限度的利用材料)。但目前三元材料高電壓化還有很多技術(shù)問題沒有解決,材料自身的穩(wěn)定性尚未解決。

  錳酸鋰正極材料充電電位可達(dá)4.7V,晶格結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。

  目前錳酸鋰電池能量密度150Wh/kg,高于磷酸鐵鋰電池能量密度。錳酸鋰晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性良好,錳酸鋰電池的安全性非常高。其中錳酸鋰-鈦酸鋰體系電池在快充領(lǐng)域有極好的應(yīng)用前景。

  磷酸鐵鋰由于容量發(fā)揮已經(jīng)接近理論,通過高電壓化難以激活更多的鋰,效果非常有限。但磷酸鐵錳(釩)鋰、硅酸鐵鋰能量密度更高,是很多研究機構(gòu)和企業(yè)研究的熱門領(lǐng)域,硅酸鐵鋰分子含有兩個鋰離子,其理論克容量高達(dá)332mAh/g。

  高電壓正極材料需要高電壓電解液配合使整個電池系統(tǒng)運行良好。要使電解液在高電壓環(huán)境下穩(wěn)定運行,必須要提高溶劑的耐氧化性,同時阻斷正極與電解液直接接觸。提高電解液抗氧化性方法包括氟代溶劑,氟代溶劑價格太高,大規(guī)模應(yīng)用難以實現(xiàn)。

  其他新型抗氧化性溶劑如離子液體,具有良好的離子導(dǎo)電性和抗氧化能力,是一種優(yōu)良鋰電池溶劑,但目前價格高昂,難以大規(guī)模推廣。阻斷電解液和電解液直接接觸的方法包括正極材料包覆,正極成膜添加劑。正極材料包覆和添加劑研究非常多,效果非常明顯,是未來提升抗氧化性重要手段。

  三元材料大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用相對較晚,在能量密度方面還有很大提升空間。目前主流材料廠商已經(jīng)能做到180mAh/g水平,而三元高鎳材料理論容量可達(dá)270mAh/g,還有很大提升空間。目前高容量三元材料存在對水敏感、首次效率低、循環(huán)差等特點。隨著工藝技術(shù)進步這些問題或可解決,富鋰正極也是很多研究機構(gòu)和企業(yè)研究的熱點。

  另一方面硅系負(fù)極材料可以極大提升負(fù)極的克容量。一直以來負(fù)極材料均已石墨為主,石墨負(fù)極技術(shù)已經(jīng)非常成熟,實際容量已經(jīng)非常接近理論容量。要提高負(fù)極克容量,必須采用其他材料。

  而硅錫等金屬負(fù)極是非常合適的選擇,最早日本sony有采用錫復(fù)合負(fù)極提升電池能量密度,已經(jīng)向市場推出了高容量18650產(chǎn)品。近幾年來硅復(fù)合負(fù)極得到了重視,其中硅碳復(fù)合負(fù)極和氧化亞硅-石墨復(fù)合負(fù)極技術(shù)較為成熟,日韓企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用到高容量產(chǎn)品中。

  目前國內(nèi)材料廠、電芯廠也逐步推出硅系負(fù)極高容量產(chǎn)品。硅的理論克容量4200mAh/g,但是體積膨脹效應(yīng)非常大,因此多采用與石墨復(fù)合以減小膨脹帶來的影響。金屬鋰負(fù)極具有比硅負(fù)極更高克容量,但其枝晶問題上沒有解決,安全風(fēng)險高。且金屬鋰與電解液容易反應(yīng),降低其循環(huán)壽命。目前金屬鋰負(fù)極電池還難以大規(guī)模推向市場。


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