基礎(chǔ)金屬	銅電解銅銅精礦銅管銅棒廢銅銅排銅合金精銅桿再生銅桿銅板帶鋁鋁土礦氧化鋁電解鋁鋁輔料鋁棒鋁合金錠廢鋁鋁桿鋁型材鋁板卷鉛鉛精礦鉛錠鉛蓄電池再生精鉛還原鉛廢鉛蓄電池鉛合金鋅鋅精礦電解鋅鋅合金氧化鋅鋅粉錫錫精礦錫錠錫材
稀貴金屬	稀土稀土礦稀土氧化物稀土金屬釹鐵硼小金屬銻鉍銦鍺鎵硒鉭鋯貴金屬白銀
新能源	鋰鋰礦鋰化合物正極材料電芯金屬鋰鎳鎳礦鎳鐵精煉鎳鎳鹽三元前驅(qū)體材料高冰鎳 MHP 鈷電解鈷鈷粉氯化鈷四氧化三鈷硫酸鈷鈷中間品氧化鈷碳酸鈷三元前驅(qū)體三元材料鈷酸鋰三元正極材料錳錳礦電解錳電池級硫酸錳鋰電正極三元前驅(qū)體磷酸鐵四氧化三鈷鋰電負(fù)極石油焦煅燒焦針狀焦瀝青焦包覆瀝青炭黑增炭劑光伏材料多晶硅硅片電池片光伏組件光伏玻璃工業(yè)硅隔膜隔膜電解液電解液

基礎(chǔ)金屬

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西南	重慶貴州貴陽遵義六盤水安順畢節(jié)銅仁黔東南州黔南州黔西南州四川成都自貢攀枝花瀘州德陽綿陽廣元遂寧內(nèi)江樂山南充眉山宜賓廣安達州雅安巴中資陽阿壩州甘孜州涼山州西藏拉薩日喀則昌都林芝山南那曲阿里地區(qū)云南昆明曲靖玉溪昭通保山麗江普洱臨滄德宏州怒江州迪慶州大理州楚雄彝族州紅河彝族州文山苗族州西雙版納州
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說說下一代動力電池的關(guān)鍵材料和技術(shù)

2021-11-26 16:15:29 來源：粉體網(wǎng)

2078

簡介：動力電池的總體發(fā)展方向，應(yīng)該是在滿足安全性、循環(huán)壽命等指標(biāo)的情況下，大幅提高能量密度，而能量密度的提高也會帶來成本的大幅度降低。那么，如何實現(xiàn)電池比能量的提高呢？

動力電池的總體發(fā)展方向，應(yīng)該是在滿足安全性、循環(huán)壽命等指標(biāo)的情況下，大幅提高能量密度，而能量密度的提高也會帶來成本的大幅度降低。那么，如何實現(xiàn)電池比能量的提高呢？
常規(guī)的動力電池技術(shù)發(fā)展路線認(rèn)為，近期（2020年）的目標(biāo)是高鎳三元正極、硅碳負(fù)極實現(xiàn)300瓦時/公斤；中期（2025年）的目標(biāo)是基于富鋰錳基和高容量硅/碳負(fù)極，實現(xiàn)單體400瓦時/公斤；遠(yuǎn)期是開發(fā)鋰硫、鋰空氣電池，實現(xiàn)單體比能量500瓦時/公斤。
這個路線是否可行？
從目前的技術(shù)條件來看，除安全性還不太確定外，在2020年電池比能量達到300瓦時/公斤是沒有什么技術(shù)風(fēng)險的。根據(jù)計算結(jié)果，400瓦時/公斤的電池要求正極容量達到250毫安時/克，負(fù)極容量達到800毫安時/克，這個要求也都有明確相應(yīng)的材料體系對應(yīng)，比如富鋰錳基可以達到250、280甚至300毫安時/克的容量，硅碳達到800也沒問題。所以，普遍認(rèn)為的近、中期技術(shù)路線總體上是可行的。
遠(yuǎn)期目標(biāo)中的鋰硫、鋰空氣電池理論上達到比能量指標(biāo)沒有任何問題，比如鋰硫電池的理論比能量為2600瓦時/公斤，鋰空氣電池在不考慮空氣質(zhì)量的情況下，理論比能量可以達到11000瓦時/公斤。即便只實現(xiàn)其理論能量密度的20%，也可以達到500-600瓦時/公斤，這就是為什么大家都將鋰硫、鋰空氣作為未來開發(fā)重點的原因。
但是，有專家認(rèn)為鋰空氣電池的實用化希望非常渺茫。其原因主要有三個。第一，鋰空氣電池要用空氣中的氧，而空氣中含有水，鋰會與水反應(yīng)，既要透氧又要防水，這是一個很難解決的問題。第二，是氧的催化還原問題。氧的反應(yīng)速度非常慢，要提高氧的反應(yīng)活性必須采用高效的催化劑，現(xiàn)在的催化劑都是貴金屬，因此，必須開發(fā)高效廉價的催化劑。第三，是金屬鋰負(fù)極的可充性問題。到現(xiàn)在為止，國際上一直沒有很大的進展，短時間想解決這個問題非常難。
再者，鋰硫電池也有三個難題待解決，第一是硫電極循環(huán)性能差，第二是鋰負(fù)極的可充性，也是難以短時間解決的問題。第三是鋰硫電池的體積能量密度比較低，因此在車用動力領(lǐng)域，鋰硫電池的實用化希望很小。
修正后的遠(yuǎn)期目標(biāo)
遠(yuǎn)期目標(biāo)可以革新型鋰離子電池為重點，即發(fā)展基于高容量富鋰正極和硅碳負(fù)極的固態(tài)電池。由此來看，未來動力電池的發(fā)展涉及到哪些關(guān)鍵材料呢？
第一個關(guān)鍵材料是硅碳復(fù)合負(fù)極。超過250瓦時/公斤，電池就要用到硅碳負(fù)極，硅碳負(fù)極是未來動力電池發(fā)展的關(guān)鍵材料。但是硅的問題在于鋰化過程中，它的體積膨脹非常大，會導(dǎo)致材料顆粒的粉化、電極脫粉。目前可通過將硅納米化和采用表面鍵合粘結(jié)劑較好地解決這兩個問題。
第二個關(guān)鍵材料是富鋰錳基正極。富鋰錳基具有250毫安時/克以上的可實現(xiàn)容量，是鋰離子電池突破400瓦時/公斤、甚至500瓦時/公斤的技術(shù)關(guān)鍵。富鋰錳基有高容量的特征，但問題是電壓衰減非常嚴(yán)重，隨著電壓越來越低，電池的能量密度也越來越低。另外，它的離子擴散系數(shù)和電子電導(dǎo)也非常低，倍率性能也比較差。目前改善富鋰錳基正極的主要工作包括：組成優(yōu)化設(shè)計，制備工藝優(yōu)化，表面改性等。
另一個材料是功能電解液。對于以后的高鎳三元、富鋰錳基正極，功能電解液的作用更大。高鎳三元隨著鎳含量的增加其穩(wěn)定性變差，另外就是它對電解液的氧化分解具有很強的催化作用。目前的解決思路是采用含CN-集團的添加劑來絡(luò)合表面偏析的鎳離子。此外，對于硅基負(fù)極而言，添加劑開發(fā)的主要方向是高韌性成膜劑。添加添加劑后，電池在效率、循環(huán)性等方面均可得到大幅度改善。
下一代動力電池的技術(shù)問題
第一，解決安全性問題。300瓦時/公斤的電池2020年能不能真正裝車？實際上是取決于安全性問題。解決安全性問題，要從材料、單體、系統(tǒng)全方位地開展工作。材料是基礎(chǔ)，什么材料就決定了什么樣的安全性；單體是關(guān)鍵，好和壞是由單體決定的；系統(tǒng)是保障，鋰離子單體發(fā)生了熱失控也不至于把其他的都引發(fā)。
解決安全性問題的第一種思路是，發(fā)展電池自激發(fā)熱保護技術(shù)。簡單的辦法是將PTC材料用于電池中，實現(xiàn)溫度敏感。第二個思路是，發(fā)展全固態(tài)電池。實際上從提高體積能量密度來講，全固態(tài)電池也非常有前景。全固態(tài)和液體比較，主要優(yōu)勢是高安全性，另一個特點是能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)串聯(lián)，有利于模塊和系統(tǒng)能量密度的提升。針對其存在的問題，固體電池整個研發(fā)的重點之一應(yīng)是固體電解質(zhì)的選擇。
第二，高載量電極的設(shè)計技術(shù)問題。隨著以后能量密度的提高，這個問題會更突出。隨著能量密度提高，例如一個單體100瓦時/公斤，現(xiàn)在變成300瓦時/公斤，意味著單位重量的材料所承擔(dān)的電流同步提高，因此對于今后的高能量密度電池，保持功率性能非常難。既要保證高能量密度、又要保證功率性能，需要設(shè)計一種梯度孔隙分布的電極。
動力電池的總體發(fā)展方向，應(yīng)該是在滿足安全性、循環(huán)壽命等指標(biāo)的情況下，大幅提高能量密度，而能量密度的提高也會帶來成本的大幅度降低。那么，如何實現(xiàn)電池比能量的提高呢？
常規(guī)的動力電池技術(shù)發(fā)展路線認(rèn)為，近期（2020年）的目標(biāo)是高鎳三元正極、硅碳負(fù)極實現(xiàn)300瓦時/公斤；中期（2025年）的目標(biāo)是基于富鋰錳基和高容量硅/碳負(fù)極，實現(xiàn)單體400瓦時/公斤；遠(yuǎn)期是開發(fā)鋰硫、鋰空氣電池，實現(xiàn)單體比能量500瓦時/公斤。
這個路線是否可行？
從目前的技術(shù)條件來看，除安全性還不太確定外，在2020年電池比能量達到300瓦時/公斤是沒有什么技術(shù)風(fēng)險的。根據(jù)計算結(jié)果，400瓦時/公斤的電池要求正極容量達到250毫安時/克，負(fù)極容量達到800毫安時/克，這個要求也都有明確相應(yīng)的材料體系對應(yīng)，比如富鋰錳基可以達到250、280甚至300毫安時/克的容量，硅碳達到800也沒問題。所以，普遍認(rèn)為的近、中期技術(shù)路線總體上是可行的。
遠(yuǎn)期目標(biāo)中的鋰硫、鋰空氣電池理論上達到比能量指標(biāo)沒有任何問題，比如鋰硫電池的理論比能量為2600瓦時/公斤，鋰空氣電池在不考慮空氣質(zhì)量的情況下，理論比能量可以達到11000瓦時/公斤。即便只實現(xiàn)其理論能量密度的20%，也可以達到500-600瓦時/公斤，這就是為什么大家都將鋰硫、鋰空氣作為未來開發(fā)重點的原因。
但是，有專家認(rèn)為鋰空氣電池的實用化希望非常渺茫。其原因主要有三個。第一，鋰空氣電池要用空氣中的氧，而空氣中含有水，鋰會與水反應(yīng)，既要透氧又要防水，這是一個很難解決的問題。第二，是氧的催化還原問題。氧的反應(yīng)速度非常慢，要提高氧的反應(yīng)活性必須采用高效的催化劑，現(xiàn)在的催化劑都是貴金屬，因此，必須開發(fā)高效廉價的催化劑。第三，是金屬鋰負(fù)極的可充性問題。到現(xiàn)在為止，國際上一直沒有很大的進展，短時間想解決這個問題非常難。
再者，鋰硫電池也有三個難題待解決，第一是硫電極循環(huán)性能差，第二是鋰負(fù)極的可充性，也是難以短時間解決的問題。第三是鋰硫電池的體積能量密度比較低，因此在車用動力領(lǐng)域，鋰硫電池的實用化希望很小。
修正后的遠(yuǎn)期目標(biāo)
遠(yuǎn)期目標(biāo)可以革新型鋰離子電池為重點，即發(fā)展基于高容量富鋰正極和硅碳負(fù)極的固態(tài)電池。由此來看，未來動力電池的發(fā)展涉及到哪些關(guān)鍵材料呢？
第一個關(guān)鍵材料是硅碳復(fù)合負(fù)極。超過250瓦時/公斤，電池就要用到硅碳負(fù)極，硅碳負(fù)極是未來動力電池發(fā)展的關(guān)鍵材料。但是硅的問題在于鋰化過程中，它的體積膨脹非常大，會導(dǎo)致材料顆粒的粉化、電極脫粉。目前可通過將硅納米化和采用表面鍵合粘結(jié)劑較好地解決這兩個問題。
第二個關(guān)鍵材料是富鋰錳基正極。富鋰錳基具有250毫安時/克以上的可實現(xiàn)容量，是鋰離子電池突破400瓦時/公斤、甚至500瓦時/公斤的技術(shù)關(guān)鍵。富鋰錳基有高容量的特征，但問題是電壓衰減非常嚴(yán)重，隨著電壓越來越低，電池的能量密度也越來越低。另外，它的離子擴散系數(shù)和電子電導(dǎo)也非常低，倍率性能也比較差。目前改善富鋰錳基正極的主要工作包括：組成優(yōu)化設(shè)計，制備工藝優(yōu)化，表面改性等。
另一個材料是功能電解液。對于以后的高鎳三元、富鋰錳基正極，功能電解液的作用更大。高鎳三元隨著鎳含量的增加其穩(wěn)定性變差，另外就是它對電解液的氧化分解具有很強的催化作用。目前的解決思路是采用含CN-集團的添加劑來絡(luò)合表面偏析的鎳離子。此外，對于硅基負(fù)極而言，添加劑開發(fā)的主要方向是高韌性成膜劑。添加添加劑后，電池在效率、循環(huán)性等方面均可得到大幅度改善。
下一代動力電池的技術(shù)問題
第一，解決安全性問題。300瓦時/公斤的電池2020年能不能真正裝車？實際上是取決于安全性問題。解決安全性問題，要從材料、單體、系統(tǒng)全方位地開展工作。材料是基礎(chǔ)，什么材料就決定了什么樣的安全性；單體是關(guān)鍵，好和壞是由單體決定的；系統(tǒng)是保障，鋰離子單體發(fā)生了熱失控也不至于把其他的都引發(fā)。
解決安全性問題的第一種思路是，發(fā)展電池自激發(fā)熱保護技術(shù)。簡單的辦法是將PTC材料用于電池中，實現(xiàn)溫度敏感。第二個思路是，發(fā)展全固態(tài)電池。實際上從提高體積能量密度來講，全固態(tài)電池也非常有前景。全固態(tài)和液體比較，主要優(yōu)勢是高安全性，另一個特點是能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)串聯(lián)，有利于模塊和系統(tǒng)能量密度的提升。針對其存在的問題，固體電池整個研發(fā)的重點之一應(yīng)是固體電解質(zhì)的選擇。
第二，高載量電極的設(shè)計技術(shù)問題。隨著以后能量密度的提高，這個問題會更突出。隨著能量密度提高，例如一個單體100瓦時/公斤，現(xiàn)在變成300瓦時/公斤，意味著單位重量的材料所承擔(dān)的電流同步提高，因此對于今后的高能量密度電池，保持功率性能非常難。既要保證高能量密度、又要保證功率性能，需要設(shè)計一種梯度孔隙分布的電極。
全固態(tài)電池材料與技術(shù)
面向2020年及以后的動力電池能量密度發(fā)展要求，通過采用容量約500毫安時/克的納米硅/碳復(fù)合負(fù)極材料和高容量鎳基層狀氧化物或富鋰錳基正極材料，鋰離子電池的能量密度預(yù)計可以達到300～350 瓦時/公斤。但是要實現(xiàn)能量密度大于500瓦時/公斤的目標(biāo)，含可燃液體電解質(zhì)的電池體系就無能為力，需要盡快研發(fā)固態(tài)電池體系。固態(tài)鋰電池有望成為下一代車用動力電池主導(dǎo)技術(shù)路線。
固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵是固態(tài)電解質(zhì)材料，現(xiàn)有的無機固體電解質(zhì)和高分子聚合物電解質(zhì)材料，沒有一種既有高離子電導(dǎo)率和機械強度又有良好的加工性能，故此需要開發(fā)出聚合物/陶瓷復(fù)合材料，以滿足固態(tài)電池的所有要求。
全固態(tài)鋰電池的技術(shù)優(yōu)勢比較明顯，但是也存在一些問題。第一個問題是固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率偏低。第二個問題就是固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差。第三個問題是金屬鋰的可充性問題。基于這些問題，特別是固態(tài)界面接觸性/穩(wěn)定性和金屬鋰的可充性問題，真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)，現(xiàn)在仍然是不成熟的，還存在技術(shù)不確定性。目前有突破的，有性能優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化前景的，主要是固態(tài)鋰離子電池。
總體上看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最后到全固態(tài)。至于負(fù)極，可能是從石墨負(fù)極，到硅碳負(fù)極，最后有可能到金屬鋰負(fù)極，但是目前還存在技術(shù)不確定性。
來源：粉體網(wǎng)