鋰電池科技動態研究進展

張婷婷

摘要：隨著國民經濟的不斷發展與科學技術的不斷進步，鋰電池在各類電氣產品中的應用越來越廣泛。因其具有效率高、使用壽命長、輸出功率大及綠色環保等優勢，鋰電池在人們的日常生活中的使用率逐漸提升。現階段鋰電池的研究與應用仍處于高速的發展中。基于此，本文介紹了現階段鋰電池行業的科技動態，對其研究進展進行探討。

關鍵詞：鋰離子電池;科技動態;應用

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極之間移動來工作。鋰離子電池以碳素材料為負極，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，是公認的高端、新型電池產品。被廣泛應用于手機、筆記本電腦、電動玩具、照相機以及電動汽車、摩托車啟動電源等產品中。

1.210mAh/g！高鎳單晶材料核心技術獲突破！

近年來中國新能源汽車市場快速發展，2018年中國新能源汽車產銷量雙雙突破120萬輛，中國已經成為全球最大的新能源汽車市場。在乘用車領域，新推出的電動汽車續航里程不斷增加，多款車型的NEDC綜合工況續航里程最大可達500km以上，極大的提高了電動汽車的使用便利性。

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

提高動力電池能量密度的核心在于高容量正、負極材料的開發[1]，我們以正極材料為例，目前主流的正極材料已經從傳統的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，動力電池的能量密度也提高到了230-260Wh/kg。

進一步提升正極材料的容量主要可以從兩個方面進行著手：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190-207mAh/g，如果進一步將Ni含量提高到0.9則容量還能進一步提升到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則其容量可以達到201.3和218.1mAh/g。

2.更安全，更長壽！LFP與NCA材料的奇妙化學反應

近日，近日南京大學、南京理工大學和同濟大學的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下的循環性能，還提升了材料的熱穩定性，對于高鎳材料的推廣應用具有重要的意義。

實驗中作者首先將NCA和LFP材料按照90：10的比例進行固相混合，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材料有兩個半圓，其中高頻區的為界面膜阻抗，低頻區的為電荷交換阻抗，通過對比可以發現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+的擴散能力，從而抑制了Li枝晶的產生和生長，大幅延長了鋰金屬二次電池的使用壽命。

金屬Li枝晶的產生和生長主要是因為電化學反應的速度與Li+擴散的速度不匹配，Yongxiu Chen通過使用交流電場和直流電場的方式，提高了Li+的擴散速度和Li+在負極表面的均勻性，從而顯著減少了負極表面的極化現象，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起到了非常好的啟示作用。

4.500Wh/kg電池應該如何實現

近日，崔屹、Goodenough等大神們在Nature Energy上發文共同探討了Li金屬電池實現350-500Wh/kg的技術路徑。

高比能電池的設計需要首先從高性能的正負極材料選擇開始，負極材料Li金屬（3860mAh/g，-3.04V vs 標準氫電極）無疑是最為合適的負極材料選擇，高鎳三元材料是目前大規模應用的容量最高的正極材料（最高可達200mAh/g），因此Li/高鎳三元體系是目前最佳的實現500Wh/kg的材料體系[4]。下圖對比了不同的電池參數最終得到的電池能量密度，其中第一個柱形圖作為基準對照組，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，根據計算在這一體系下電池的重量能量密度最高能夠達到350Wh/kg，如果我們進一步降低電解液的比例到2.4g/Ah（第二個柱形圖），則電池的能量密度還能夠進一步提升到370Wh/kg左右，如果我們進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進一步提升，但是注液量過少會對金屬鋰電池的循環產生負面影響。如果要實現400Wh/kg的能量密度則我們還需要進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含量達到0.9左右，目前商業化的三元材料還未見到類似的產品。在電池中非活性物質例如集流體、包裝結構等在電池重量中占據了非常大的比重，因此如果能夠將這些非活性物質的重量降低50%則能夠進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一步提升至252mAh/g，則電池的能量密度還能夠進一步的提升達到550Wh/kg左右。

5.結語

鋰電池一直處于不斷地研究與發展中，廣泛的應用到各種行業領域中，給人們的日常生活帶來了諸多便利。

參考文獻

[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儲能性能[J].高等學校化學學報. 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展[J]無機鹽工業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