鋰電池高能量技術(shù)研究熱點(diǎn)剖析

　　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(gè)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(shí)現(xiàn)高電壓，同時(shí)其克容量也會(huì)進(jìn)一步提高（高電壓材料相當(dāng)于將低電壓時(shí)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(jī)構(gòu)和企業(yè)研究的熱門領(lǐng)域，硅酸鐵鋰分子含有兩個(gè)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(gè)電池系統(tǒng)運(yùn)行良好。要使電解液在高電壓環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，必須要提高溶劑的耐氧化性，同時(shí)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(jià)格太高，大規(guī)模應(yīng)用難以實(shí)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(jià)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(duì)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(duì)水敏感、首次效率低、循環(huán)差等特點(diǎn)。隨著工藝技術(shù)進(jìn)步這些問題或可解決，富鋰正極也是很多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)研究的熱點(diǎn)。

　　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(shí)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(chǎng)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(guó)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(xiǎn)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(chǎng)。