锂电池科技动态研究进展

张婷婷

摘要：随着国民经济的不断发展与科学技术的不断进步，锂电池在各类电气产品中的应用越来越广泛。因其具有效率高、使用寿命长、输出功率大及绿色环保等优势，锂电池在人们的日常生活中的使用率逐渐提升。现阶段锂电池的研究与应用仍处于高速的发展中。基于此，本文介绍了现阶段锂电池行业的科技动态，对其研究进展进行探讨。

关键词：锂离子电池;科技动态;应用

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极。具有体积小、容量大、重量轻、无污染、能量密度高、自放电率低等特点，是公认的高端、新型电池产品。被广泛应用于手机、笔记本电脑、电动玩具、照相机以及电动汽车、摩托车启动电源等产品中。

1.210mAh/g！高镍单晶材料核心技术获突破！

近年来中国新能源汽车市场快速发展，2018年中国新能源汽车产销量双双突破120万辆，中国已经成为全球最大的新能源汽车市场。在乘用车领域，新推出的电动汽车续航里程不断增加，多款车型的NEDC综合工况续航里程最大可达500km以上，极大的提高了电动汽车的使用便利性。

不断提高的续航里程对动力电池的能量密度也提出了越来越高的要求，例如发改委在2019年公告的新能源车型中就有部分车型的动力电池系统能量密度达到180Wh/kg以上，这就要求动力电池单体能量密度至少达到250Wh/kg以上。

提高动力电池能量密度的核心在于高容量正、负极材料的开发[1]，我们以正极材料为例，目前主流的正极材料已经从传统的NCM111材料逐渐过渡到NCM523和NCM622，正极材料的容量从140mAh/g左右提升到170mAh/g左右，动力电池的能量密度也提高到了230-260Wh/kg。

进一步提升正极材料的容量主要可以从两个方面进行着手：1）提高Ni含量，更高的Ni含量能够带来更高的比容量，例如NCM811材料可逆容量可达190-207mAh/g，如果进一步将Ni含量提高到0.9则容量还能进一步提升到210-220mAh/g左右;2）提高充电电压，无论是NCM811，还是NCM622理论容量都在270mAh/g左右，在不改變材料成分的前提下可以通过提升充电电压的方式达到提升材料容量的目的，例如NCM622材料在4.3V的容量在176mAh/g左右，但是如果将充电电压提高到4.5V和4.7V则其容量可以达到201.3和218.1mAh/g。

2.更安全，更长寿！LFP与NCA材料的奇妙化学反应

近日，近日南京大学、南京理工大学和同济大学的Junchao Chen（第一作者）和Weiping Tang（通讯作者）、Tao Liu（通讯作者）等人通过在NCA表面包覆一层LiFePO4纳米颗粒，不但显著改善了NCA材料在4.5V下的循环性能，还提升了材料的热稳定性，对于高镍材料的推广应用具有重要的意义。

实验中作者首先将NCA和LFP材料按照90：10的比例进行固相混合，然后在400℃下焙烧1h。NCA二次颗粒的表面均匀包覆了一层LFP材料，厚度约为100nm， LFP和NCA颗粒之间形成了良好的界面。脱Li后NCA材料有两个半圆，其中高频区的为界面膜阻抗，低频区的为电荷交换阻抗，通过对比可以发现NCA-LFP材料的界面膜阻抗和电荷交换阻抗都要明显小于普通NCA材料。

3.双电场抑制锂枝晶生长让金属锂电池寿命提升5倍

近日，中科院北京过程工程研究所的Yongxiu Chen（第一作者）和Yongsheng Han（通讯作者）等人通过采用外部交流电场和直流电场的方式提高了Li+的扩散能力，从而抑制了Li枝晶的产生和生长，大幅延长了锂金属二次电池的使用寿命。

金属Li枝晶的产生和生长主要是因为电化学反应的速度与Li+扩散的速度不匹配，Yongxiu Chen通过使用交流电场和直流电场的方式，提高了Li+的扩散速度和Li+在负极表面的均匀性，从而显著减少了负极表面的极化现象，抑制了锂枝晶的生长，从而有效的提高了锂金属二次电池的使用寿命[3]，对于未来锂金属二次电池的开发起到了非常好的启示作用。

4.500Wh/kg电池应该如何实现

近日，崔屹、Goodenough等大神们在Nature Energy上发文共同探讨了Li金属电池实现350-500Wh/kg的技术路径。

高比能电池的设计需要首先从高性能的正负极材料选择开始，负极材料Li金属（3860mAh/g，-3.04V vs 标准氢电极）无疑是最为合适的负极材料选择，高镍三元材料是目前大规模应用的容量最高的正极材料（最高可达200mAh/g），因此Li/高镍三元体系是目前最佳的实现500Wh/kg的材料体系[4]。下图对比了不同的电池参数最终得到的电池能量密度，其中第一个柱形图作为基准对照组，其正极采用NCM622材料，正极厚度为70um，孔隙率35%，电解液量为3.0g/Ah，根据计算在这一体系下电池的重量能量密度最高能够达到350Wh/kg，如果我们进一步降低电解液的比例到2.4g/Ah（第二个柱形图），则电池的能量密度还能够进一步提升到370Wh/kg左右，如果我们进一步降低正极孔隙率（25%）和电解液比例（2.1g/Ah），则电池的能量密度还会进一步提升，但是注液量过少会对金属锂电池的循环产生负面影响。如果要实现400Wh/kg的能量密度则我们还需要进一步的提升正极材料的容量到220mAh/g，这就需要三元材料的Ni含量达到0.9左右，目前商业化的三元材料还未见到类似的产品。在电池中非活性物质例如集流体、包装结构等在电池重量中占据了非常大的比重，因此如果能够将这些非活性物质的重量降低50%则能够进一步将电池的能量密度提高到500Wh/kg。如果正极材料的容量能够进一步提升至252mAh/g，则电池的能量密度还能够进一步的提升达到550Wh/kg左右。

5.结语

锂电池一直处于不断地研究与发展中，广泛的应用到各种行业领域中，给人们的日常生活带来了诸多便利。

参考文献

[1]李欢，江奇，邱家欣，刘青青，高艺珂，卢晓英，胡爱琳. LiNi0.8Co0.2-2xAlxMnxO2材料的制备与电化学储能性能[J].高等学校化学学报. 2018（06）

[2]李旺，周兰，刘佳丽.镍锰酸锂正极材料及其适配性电解液研究最新进展[J]无机盐工业2019.06（51）

[3]周宝林，周全.充放电倍率对电池一致性衰减影响的研究与对策[J]蓄电池2018.07

[4]宋刘斌，李新海，王志兴等.锂离子电池充放电过程中的热行为及有限元模拟研究[J]功能材料2012.12