富鋰錳基動力電池：未來鋰電發(fā)展主流？

　　前途光明的富鋰錳基正極材料

　　電動汽車是解決能源和環(huán)境問題的新型戰(zhàn)略產(chǎn)品，但目前電動汽車仍面臨續(xù)航里程短、成本偏高和安全性有所欠缺等問題，嚴(yán)重制約了電動汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用。因而，研究開發(fā)新一代300-400Wh/kg動力鋰電池，是未來鋰電材料及技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

　　同時，從目前的技術(shù)來看，通過降低電芯中非活性物質(zhì)的質(zhì)量比來提高電池的能量密度，幾乎已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)的極限，采用具有更高能量密度的正負(fù)極材料是提高電池能量密度更為有效的技術(shù)途徑。

　　我們知道，設(shè)計(jì)電池的第一準(zhǔn)則是容量匹配，也就是正負(fù)極的容量要匹配。而目前鋰離子電池的正極比容量很低，在電池中的質(zhì)量非常大(1克石墨負(fù)極材料要匹配2克以上正極材料);如果用硅碳負(fù)極，正極材料的匹配量更大。因此，行業(yè)對于新一代高容量正極材料的需求顯得尤為迫切。

　　在已知正極材料中，富鋰錳基正極材料放電比容量達(dá)250毫安時/克以上，幾乎是目前已商業(yè)化正極材料實(shí)際容量的兩倍左右;同時這種材料以較便宜的錳元素為主，貴重金屬含量少，與常用的鈷酸鋰和鎳鈷錳三元系正極材料相比，不僅成本低，而且安全性好。因此，富鋰錳基正極材料被視為下一代鋰動力電池的理想之選，是鋰電池突破400瓦時/公斤，甚至500瓦時/公斤的技術(shù)關(guān)鍵。

　　日前，中國科學(xué)院院士、中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長歐陽明高在一場“熱點(diǎn)問題交流會”上表示，就國內(nèi)動力電池主要技術(shù)的進(jìn)展來看，2020年動力電池單體300瓦時/公斤的目標(biāo)是可以做到的。“到2025年，我們希望沖擊400瓦時/公斤的目標(biāo)，這時候要改變的是正極材料?？蛇x的正極材料有好幾種，目前新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)取得突破性進(jìn)展的是高容量富鋰錳基正極材料?！睔W陽明高說道。

　　道路曲折的富鋰錳基動力電池

　　雖然富鋰錳基正極材料具有放電比容量的絕對優(yōu)勢，但要將其實(shí)際應(yīng)用于鋰動力電池，必須解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題：一是降低首次不可逆容量損失;二是提高倍率性能和循環(huán)壽命;三是抑制循環(huán)過程的電壓衰減。目前解決這種材料問題的手段很多：包覆、酸處理、摻雜、預(yù)循環(huán)、熱處理等方法，但是這些方法只能在某些方面提升材料的性能，還沒有萬全之策。也因此，有業(yè)內(nèi)人士甚至預(yù)測，實(shí)現(xiàn)富鋰錳基動力電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用并不現(xiàn)實(shí)。

　　可以看見，前景雖美好，但是富鋰錳基動力電池距離實(shí)際應(yīng)用還有很遠(yuǎn)的路要走。但電池中國網(wǎng)也了解到，國內(nèi)對富鋰錳基材料的研究自2010年開始升溫以來，一些科研單位及電池企業(yè)的探索就從未停止。

　　目前有兩個科研單位承擔(dān)了該前沿基礎(chǔ)項(xiàng)目。一個是物理所，通過表面改性使得富鋰錳基正極的電壓衰減問題得到了較好的解決，充放循環(huán)100周后衰減控制在2%以內(nèi)，應(yīng)該說這是一個重大的進(jìn)展。另外一個是北京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，首次研制出了克容量400毫安時/克的富鋰錳基正極材料，這對于實(shí)現(xiàn)400瓦時/公斤甚至更高的電池能量密度目標(biāo)是大有裨益的，但目前循環(huán)性還不是很好。

　　在企業(yè)方面，從中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會動力電池應(yīng)用分會2017年調(diào)研情況來看，包括遨優(yōu)動力、中航鋰電等多家企業(yè)均有富鋰錳基動力電池領(lǐng)域的規(guī)劃布局。

　　當(dāng)升科技的“一種鋰離子電池富鋰Mn基正極材料前驅(qū)體的制備方法”于2017年9月獲得國家發(fā)明專利。據(jù)了解，該發(fā)明通過共沉淀法制備出密度和球形度高、流動性好的富鋰錳基正極材料前驅(qū)體，且產(chǎn)量高，工藝簡單，環(huán)境友好，有助于實(shí)現(xiàn)富鋰錳基正極材料的大批量生產(chǎn)。但該發(fā)明專利目前尚未應(yīng)用于當(dāng)升科技的實(shí)際生產(chǎn)中。

　　此外，江特電機(jī)量產(chǎn)富鋰錳基正極材料，技術(shù)水平已達(dá)國際先進(jìn)，制造工藝已申請專利;國軒高科也有一項(xiàng)富鋰錳基正極材料的制備方法發(fā)明專利。

　　而遨優(yōu)動力已經(jīng)走在了行業(yè)前列。2017年12月，遨優(yōu)動力宣布，公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過8年的潛心研發(fā)，通過材料納米化和碳層包覆技術(shù)，在電池制作過程中使用多種復(fù)合導(dǎo)電劑(如石墨烯、碳納米管等高導(dǎo)電性物質(zhì))提高材料倍率性能，成功研發(fā)制備出富鋰錳基軟包裝動力電池。據(jù)遨優(yōu)動力總經(jīng)理陳光森博士介紹，目前已經(jīng)可以穩(wěn)定量產(chǎn)的富鋰錳基動力電池能量密度達(dá)200-220Wh/kg，預(yù)計(jì)2020年可達(dá)350Wh/kg。

　　筆者認(rèn)為，從正極材料發(fā)展方向而言，富鋰錳基材料同時具備高電壓、高容量優(yōu)勢，且成本比三元材料低，隨著未來富鋰錳基正極材料的成熟，以及高電壓電解液等配套關(guān)鍵材料技術(shù)的突破，富鋰錳基動力電池成為未來高比能鋰動力電池的主流產(chǎn)品也未可知。需要注意的是，全產(chǎn)業(yè)鏈的緊密合作才能讓富鋰錳基動力電池產(chǎn)業(yè)化走得更快、更穩(wěn)。