长寿命动力锂离子电池关键技术研究

李师

摘 要：作为未来很长时间内汽车行业的发展方向，新能源汽车在最近几年得到了飞速发展，动力电池是新能源汽车的动力源泉，而在对动力电力进行研究的过程中，长寿命动力锂离子电池是研究的重点。本文从我国动力锂离子电池的研究现状出发，就其关键技术进行了分析和讨论，希望能够为长寿命动力锂离子电池的研究提供一些参考。

关键词：长寿命;动力;锂离子电池;关键技术

1 引言

21世纪，新能源技术和可再生能源技术是备受瞩目的高新技术产业，其中电化学电源体系的主要发展方向为大容量、长寿命和高比能。锂离子电池作为一种新的化学电源体系，属于现阶段所有使用电池中较为常见的一种，具有较高的比能和良好的兼容性，使用寿命也更长，已经在电动车领域得到了广泛应用，有逐步取代铅酸电池的趋势。不过如果想要将其应用到纯电动汽车中，还需要对一些关键性技术进行解决。

2 动力锂离子电池技术研究现状

在不断的发展过程中，我国动力锂离子电池产业实现了从无到有、从小到大的快速发展，相关研究项目一直都是国家高技术研究发展计划（863计划）的重点，而且电池生产的大部分材料都已经实现了国产化。依靠相应的产业投资，我国已经自主建成了多条锂离子电池生产线，能够实现大规模标准化生产。从目前来看，国内对于动力锂离子电池的研究主要集中在磷酸铁锂电池方面，而能够实现规模化生产的企业中，比亚迪处于领先地位，其推出的混合动力汽车F3DM和纯电动汽车E6搭载了自主研发的动力锂电池，市场响应良好。

从整体上分析，我国在动力锂离子电池技术的研究方面虽然取得了一定成果，但是与国际领先水平依然相距甚远，而且也存在一些比较明显的问题，如投资过热、产能过剩、核心技术欠缺等，并不能很好的满足电动汽车市场的高端需求[1]。从产业链的角度分析，动力锂离子电池产业链包括了上游金属资源、中上游电芯材料、中游电芯制造及电池组封装，下游新能源汽车应用等。我国锂矿资源的储量不高，而且因为伴生矿的大量存在，锂元素的提取技术难度大，成本偏高，在产业链上游的竞争中就已经处于劣势，动力锂离子电池生产中，主要的矿石资源锂辉石主要依赖进口，会在一定程度上受出口国的制约。相比较而言，我国丰富的劳动力使得位于产业链中游的电芯制造呈现出了强劲的发展态势，全国各地的大中型锂电生产企业主要就是依赖电芯加工制造业务。

3 长寿命动力锂离子电池关键技术

锂离子电池的工作原理简单，但是生产难度并不小，因为在生产过程中需要考虑的问题很多，如充放电过程中电池正负极材料的结构稳定性、正极材料的电导性以及负极材料的分子结构等，而填充在电池正极和负极之间的电解液同样必须具备较好的导电性和稳定性，隔膜则应该具有稳定的锂离子通过性能和电绝缘性能，因此，长寿命动力锂离子电池的关键技术同样体现在上述几个方面：

3.1 正极材料

在动力锂离子电池的研究中，正极材料的选择可以说是技术人员需要面临的最大难题，虽然在不断的发展过程中，锂离子电池的正极材料越发丰富，存在钴酸锂（LCO）、镍钴锰酸锂（NMC）、磷酸铁锂（LFP）等多种可供选择的材料，但是其各自所具备的优势和劣势往往令研究人员难以抉择。这里就两种比较常用的正极材料进行简单分析[2]。

3.1.1 磷酸铁锂

我国动力锂离子电池的发展以磷酸铁锂为主，钴酸锂和锰酸锂都属于辅助材料，以比亚迪公司为例，其生产的动力锂离子电池就是采用磷酸铁锂作为正极材料。而从研究进展分析，磷酸铁锂电池本身具备较高的电位，安全性和循环性能优越，原材料丰富且价格低廉，基本不会产生环境污染问题，不过其本身于常温条件下的电子导电率以及离子扩散系数低，因此实用化进程相对缓慢。国内以磷酸铁锂为主要研究对象的企业包括了比亚迪、北大先行等企业，部分企业已经开始实现规模化生产。而从发展趋势分析，磷酸铁锂虽然是当前动力锂离子电池的主流正极材料，但是因为其本身能量密度的提升空间相对有限，已经开始呈现出发展疲态，与之相比，具备更大能量密度提升空间的NMC材料开始受到企业和研究人员的关注，一些日韩汽车企业在电动汽车中，通常都会使用锰系锂和NMC材料来制作动力电池。

3.1.2 镍钴锰酸锂

镍钴锰酸锂也就是上文提到的NMC，也称三元材料，比较常见的包括LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等，在三元材料的研究和应用领域，日本与韩国处于世界领先水平，虽然三元材料的核心专利掌握在美国的3M公司手中，但是至少从目前来看，日本能够提供全球最好的三元材料[3]。在国内动力锂离子电池的研究和生产领域，主要企业包括比亚迪、北大先行、新乡中科、宁波金和等，不过其多数研究都集中在磷酸铁锂和锰酸锂方面，掌握三元材料技术较早的企业，是深圳天骄科技公司。

3.2 负极材料

动力锂离子电池的负极材料同样有很多选择，主要是硅基负极材料，包括Si/C复合材料、Si/SiO2/C复合材料等，还包含了对于Si/SiO2/C材料的含锂化合物装饰、Ag表面装饰以及综合性能优化等。相比较传统材料，动力锂离子电池中的新型硅基负极材料具备更加优越的性能，以Si/C材料为例，其放电比容量能够达到811.4mAh/g，首次充电和放电的效率超过了86.8%，100% DOD循环100周，性能表现依然良好，100次循环充放电后，负极材料的可逆比容量依然能够达到616.7mAh/g，容量保持率接近76%。

3.3 隔膜材料

动力电池中的隔膜材料大致可以分为两类，一是聚合物隔膜，在实际应用中以微孔聚烯烃隔膜位置，能够在较为合理的成本范围内，提供更加优越的化学稳定性和机械性能，其本身所具备的高温自闭特性也可以保证电池使用的安全性[4];二是无纺布隔膜，包括玻璃纤维隔膜、陶瓷纤维纸以及合成纤维隔膜等。当前技术条件下，隔膜材料的主流产品主要有美国Celgard、日本旭化等提供，比较有代表性的包括双向拉伸后的聚乙烯、聚丙烯微孔薄膜和聚乙烯-聚丙烯-聚乙烯三层微孔复合隔膜，隔膜的厚度在25-40μm之间，孔隙率40%。隔膜的性能会对动力电池的容量、安全性和循环次数等产生直接影响，必须得到足够的重视。现阶段，对于隔膜材料的研究主要体现在几个方面，一是通过对隔膜参数的控制，改善隔膜的强度和渗透性，促进电池容量提高的同时，也能够对其循环性能进行优化，提高电池的使用寿命;二是通过混合方法制备出隔膜材料，隔膜的强度更高，电池整体的安全性更好;三是在隔膜制备环节，掺入相应的无机颗粒，以此来改善电池循环性能，保证电池使用安全;四是构建多层隔膜提升其耐热性，预防电池短路问题;五是利用共嵌的方式制作隔膜，同样可以提升隔膜耐热性和渗透性，有效预防电池短路。对比正负极材料，隔膜材料的国产化率最低，技术壁垒也最高，直至2015年，中国虽然能够自主完成隔膜产品的生产，但是高端产品依然需要进口，虽然有部分企业已经在相关技术层面取得了突破，但是从总体上看，隔膜材料依然处于低端产能过剩，高端产品依赖进口的状况[5]。

4 结语

总而言之，可持续发展背景下，新能源汽车迅速兴起，并且成为了世界各国研究的重点项目。动力锂离子电池作为电动汽车的心脏，其技术的发展直接决定了电动汽车的整体性能，与一些发达国家相比，我国在动力锂离子电池技术的研究方面相对落后，不过发展势头强劲，政府部门应该做好扶持，出台相应的优惠政策，对市场进行规范，以此来为国内长寿命锂离子电池的发展提供良好保障。

参考文献：

[1]陆顺，罗宝权.浅议废旧动力锂离子电池的回收办法[J].新材料产业，2018，（10）：43-47.

[2]刘兴江，许寒，宗军.动力锂离子电池新材料及体系关键技术研究[J].中国科技成果，2016，（23）：77-78.

[3]葛瑞，李云扬.锂离子动力电池热管理系统的关键技术[J].电源世界，2017，（12）：41-47.

[4]杨道均.高电压锂离子电池关键材料的开发及界面膜的优化研究[D].北京科技大学，2017.

[5]王毅，馬新寨，谢明树，陈志雪，姚建英，张彦杰，毕锡钢.动力锂离子电池技术发展分析[J].电池工业，2014，19（04）：197-202.