長(zhǎng)壽命動(dòng)力鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)研究

李師

摘 要：作為未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展方向，新能源汽車在最近幾年得到了飛速發(fā)展，動(dòng)力電池是新能源汽車的動(dòng)力源泉，而在對(duì)動(dòng)力電力進(jìn)行研究的過(guò)程中，長(zhǎng)壽命動(dòng)力鋰離子電池是研究的重點(diǎn)。本文從我國(guó)動(dòng)力鋰離子電池的研究現(xiàn)狀出發(fā)，就其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和討論，希望能夠?yàn)殚L(zhǎng)壽命動(dòng)力鋰離子電池的研究提供一些參考。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)壽命;動(dòng)力;鋰離子電池;關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

21世紀(jì)，新能源技術(shù)和可再生能源技術(shù)是備受矚目的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其中電化學(xué)電源體系的主要發(fā)展方向?yàn)榇笕萘俊㈤L(zhǎng)壽命和高比能。鋰離子電池作為一種新的化學(xué)電源體系，屬于現(xiàn)階段所有使用電池中較為常見(jiàn)的一種，具有較高的比能和良好的兼容性，使用壽命也更長(zhǎng)，已經(jīng)在電動(dòng)車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，有逐步取代鉛酸電池的趨勢(shì)。不過(guò)如果想要將其應(yīng)用到純電動(dòng)汽車中，還需要對(duì)一些關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行解決。

2 動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)研究現(xiàn)狀

在不斷的發(fā)展過(guò)程中，我國(guó)動(dòng)力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從小到大的快速發(fā)展，相關(guān)研究項(xiàng)目一直都是國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）的重點(diǎn)，而且電池生產(chǎn)的大部分材料都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。依靠相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)投資，我國(guó)已經(jīng)自主建成了多條鋰離子電池生產(chǎn)線，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。從目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)于動(dòng)力鋰離子電池的研究主要集中在磷酸鐵鋰電池方面，而能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的企業(yè)中，比亞迪處于領(lǐng)先地位，其推出的混合動(dòng)力汽車F3DM和純電動(dòng)汽車E6搭載了自主研發(fā)的動(dòng)力鋰電池，市場(chǎng)響應(yīng)良好。

從整體上分析，我國(guó)在動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)的研究方面雖然取得了一定成果，但是與國(guó)際領(lǐng)先水平依然相距甚遠(yuǎn)，而且也存在一些比較明顯的問(wèn)題，如投資過(guò)熱、產(chǎn)能過(guò)剩、核心技術(shù)欠缺等，并不能很好的滿足電動(dòng)汽車市場(chǎng)的高端需求[1]。從產(chǎn)業(yè)鏈的角度分析，動(dòng)力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈包括了上游金屬資源、中上游電芯材料、中游電芯制造及電池組封裝，下游新能源汽車應(yīng)用等。我國(guó)鋰礦資源的儲(chǔ)量不高，而且因?yàn)榘樯V的大量存在，鋰元素的提取技術(shù)難度大，成本偏高，在產(chǎn)業(yè)鏈上游的競(jìng)爭(zhēng)中就已經(jīng)處于劣勢(shì)，動(dòng)力鋰離子電池生產(chǎn)中，主要的礦石資源鋰輝石主要依賴進(jìn)口，會(huì)在一定程度上受出口國(guó)的制約。相比較而言，我國(guó)豐富的勞動(dòng)力使得位于產(chǎn)業(yè)鏈中游的電芯制造呈現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì)，全國(guó)各地的大中型鋰電生產(chǎn)企業(yè)主要就是依賴電芯加工制造業(yè)務(wù)。

3 長(zhǎng)壽命動(dòng)力鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)

鋰離子電池的工作原理簡(jiǎn)單，但是生產(chǎn)難度并不小，因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題很多，如充放電過(guò)程中電池正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、正極材料的電導(dǎo)性以及負(fù)極材料的分子結(jié)構(gòu)等，而填充在電池正極和負(fù)極之間的電解液同樣必須具備較好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，隔膜則應(yīng)該具有穩(wěn)定的鋰離子通過(guò)性能和電絕緣性能，因此，長(zhǎng)壽命動(dòng)力鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)同樣體現(xiàn)在上述幾個(gè)方面：

3.1 正極材料

在動(dòng)力鋰離子電池的研究中，正極材料的選擇可以說(shuō)是技術(shù)人員需要面臨的最大難題，雖然在不斷的發(fā)展過(guò)程中，鋰離子電池的正極材料越發(fā)豐富，存在鈷酸鋰（LCO）、鎳鈷錳酸鋰（NMC）、磷酸鐵鋰（LFP）等多種可供選擇的材料，但是其各自所具備的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)往往令研究人員難以抉擇。這里就兩種比較常用的正極材料進(jìn)行簡(jiǎn)單分析[2]。

3.1.1 磷酸鐵鋰

我國(guó)動(dòng)力鋰離子電池的發(fā)展以磷酸鐵鋰為主，鈷酸鋰和錳酸鋰都屬于輔助材料，以比亞迪公司為例，其生產(chǎn)的動(dòng)力鋰離子電池就是采用磷酸鐵鋰作為正極材料。而從研究進(jìn)展分析，磷酸鐵鋰電池本身具備較高的電位，安全性和循環(huán)性能優(yōu)越，原材料豐富且價(jià)格低廉，基本不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問(wèn)題，不過(guò)其本身于常溫條件下的電子導(dǎo)電率以及離子擴(kuò)散系數(shù)低，因此實(shí)用化進(jìn)程相對(duì)緩慢。國(guó)內(nèi)以磷酸鐵鋰為主要研究對(duì)象的企業(yè)包括了比亞迪、北大先行等企業(yè)，部分企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。而從發(fā)展趨勢(shì)分析，磷酸鐵鋰雖然是當(dāng)前動(dòng)力鋰離子電池的主流正極材料，但是因?yàn)槠浔旧砟芰棵芏鹊奶嵘臻g相對(duì)有限，已經(jīng)開(kāi)始呈現(xiàn)出發(fā)展疲態(tài)，與之相比，具備更大能量密度提升空間的NMC材料開(kāi)始受到企業(yè)和研究人員的關(guān)注，一些日韓汽車企業(yè)在電動(dòng)汽車中，通常都會(huì)使用錳系鋰和NMC材料來(lái)制作動(dòng)力電池。

3.1.2 鎳鈷錳酸鋰

鎳鈷錳酸鋰也就是上文提到的NMC，也稱三元材料，比較常見(jiàn)的包括LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等，在三元材料的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，日本與韓國(guó)處于世界領(lǐng)先水平，雖然三元材料的核心專利掌握在美國(guó)的3M公司手中，但是至少?gòu)哪壳皝?lái)看，日本能夠提供全球最好的三元材料[3]。在國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰離子電池的研究和生產(chǎn)領(lǐng)域，主要企業(yè)包括比亞迪、北大先行、新鄉(xiāng)中科、寧波金和等，不過(guò)其多數(shù)研究都集中在磷酸鐵鋰和錳酸鋰方面，掌握三元材料技術(shù)較早的企業(yè)，是深圳天驕科技公司。

3.2 負(fù)極材料

動(dòng)力鋰離子電池的負(fù)極材料同樣有很多選擇，主要是硅基負(fù)極材料，包括Si/C復(fù)合材料、Si/SiO2/C復(fù)合材料等，還包含了對(duì)于Si/SiO2/C材料的含鋰化合物裝飾、Ag表面裝飾以及綜合性能優(yōu)化等。相比較傳統(tǒng)材料，動(dòng)力鋰離子電池中的新型硅基負(fù)極材料具備更加優(yōu)越的性能，以Si/C材料為例，其放電比容量能夠達(dá)到811.4mAh/g，首次充電和放電的效率超過(guò)了86.8%，100% DOD循環(huán)100周，性能表現(xiàn)依然良好，100次循環(huán)充放電后，負(fù)極材料的可逆比容量依然能夠達(dá)到616.7mAh/g，容量保持率接近76%。

3.3 隔膜材料

動(dòng)力電池中的隔膜材料大致可以分為兩類，一是聚合物隔膜，在實(shí)際應(yīng)用中以微孔聚烯烴隔膜位置，能夠在較為合理的成本范圍內(nèi)，提供更加優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，其本身所具備的高溫自閉特性也可以保證電池使用的安全性[4];二是無(wú)紡布隔膜，包括玻璃纖維隔膜、陶瓷纖維紙以及合成纖維隔膜等。當(dāng)前技術(shù)條件下，隔膜材料的主流產(chǎn)品主要有美國(guó)Celgard、日本旭化等提供，比較有代表性的包括雙向拉伸后的聚乙烯、聚丙烯微孔薄膜和聚乙烯-聚丙烯-聚乙烯三層微孔復(fù)合隔膜，隔膜的厚度在25-40μm之間，孔隙率40%。隔膜的性能會(huì)對(duì)動(dòng)力電池的容量、安全性和循環(huán)次數(shù)等產(chǎn)生直接影響，必須得到足夠的重視?，F(xiàn)階段，對(duì)于隔膜材料的研究主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面，一是通過(guò)對(duì)隔膜參數(shù)的控制，改善隔膜的強(qiáng)度和滲透性，促進(jìn)電池容量提高的同時(shí)，也能夠?qū)ζ溲h(huán)性能進(jìn)行優(yōu)化，提高電池的使用壽命;二是通過(guò)混合方法制備出隔膜材料，隔膜的強(qiáng)度更高，電池整體的安全性更好;三是在隔膜制備環(huán)節(jié)，摻入相應(yīng)的無(wú)機(jī)顆粒，以此來(lái)改善電池循環(huán)性能，保證電池使用安全;四是構(gòu)建多層隔膜提升其耐熱性，預(yù)防電池短路問(wèn)題;五是利用共嵌的方式制作隔膜，同樣可以提升隔膜耐熱性和滲透性，有效預(yù)防電池短路。對(duì)比正負(fù)極材料，隔膜材料的國(guó)產(chǎn)化率最低，技術(shù)壁壘也最高，直至2015年，中國(guó)雖然能夠自主完成隔膜產(chǎn)品的生產(chǎn)，但是高端產(chǎn)品依然需要進(jìn)口，雖然有部分企業(yè)已經(jīng)在相關(guān)技術(shù)層面取得了突破，但是從總體上看，隔膜材料依然處于低端產(chǎn)能過(guò)剩，高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口的狀況[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，可持續(xù)發(fā)展背景下，新能源汽車迅速興起，并且成為了世界各國(guó)研究的重點(diǎn)項(xiàng)目。動(dòng)力鋰離子電池作為電動(dòng)汽車的心臟，其技術(shù)的發(fā)展直接決定了電動(dòng)汽車的整體性能，與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)的研究方面相對(duì)落后，不過(guò)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，政府部門應(yīng)該做好扶持，出臺(tái)相應(yīng)的優(yōu)惠政策，對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行規(guī)范，以此來(lái)為國(guó)內(nèi)長(zhǎng)壽命鋰離子電池的發(fā)展提供良好保障。

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