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锂电池高能量技术研究热点有什么?

时间:2022-08-08 14:51:10来源:钜大LARGE

导语:​近期高工产研锂电研究所(GGII)走访了50多家企业和参加多个论坛交流,发现目前锂电池在高能量密度技术方面有较大突破。

  高能量密度发展路线包括:高电压正极材料、高克容量正负极材料。高电压正极材料通常指电池使用电压高于4.2V的正极材料。钴酸锂、锰酸锂、三元均有高电压材料。

  其中高电压钴酸锂商用化已经很成熟,大量应用于高端数码类产品,其能量密度比普通的三元电池要高。目前高电压钴酸锂电池电压通常为4.35V,未来3-5年4.4V、4.5V高电压钴酸锂电池或可大规模应用。

  三元高电压正极材料应用很少,基本处于研究阶段。但三元高电压正极材料或许是未来达到300Wh/kg能量密度的突破口。

  目前三元NCM811材料克容量已经超过180mAh/g,通过包覆或者参杂可以实现高电压,同时其克容量也会进一步提高(高电压材料相当于将低电压时没有活性的锂激活,更大限度的利用材料)。但目前三元材料高电压化还有很多技术问题没有解决,材料自身的稳定性尚未解决。

  锰酸锂正极材料充电电位可达4.7V,晶格结构非常稳定。

  目前锰酸锂电池能量密度150Wh/kg,高于磷酸铁锂电池能量密度。锰酸锂晶体结构稳定、热稳定性良好,锰酸锂电池的安全性非常高。其中锰酸锂-钛酸锂体系电池在快充领域有极好的应用前景。

  磷酸铁锂由于容量发挥已经接近理论,通过高电压化难以激活更多的锂,效果非常有限。但磷酸铁锰(钒)锂、硅酸铁锂能量密度更高,是很多研究机构和企业研究的热门领域,硅酸铁锂分子含有两个锂离子,其理论克容量高达332mAh/g。

  高电压正极材料需要高电压电解液配合使整个电池系统运行良好。要使电解液在高电压环境下稳定运行,必须要提高溶剂的耐氧化性,同时阻断正极与电解液直接接触。提高电解液抗氧化性方法包括氟代溶剂,氟代溶剂价格太高,大规模应用难以实现。

  其他新型抗氧化性溶剂如离子液体,具有良好的离子导电性和抗氧化能力,是一种优良锂电池溶剂,但目前价格高昂,难以大规模推广。阻断电解液和电解液直接接触的方法包括正极材料包覆,正极成膜添加剂。正极材料包覆和添加剂研究非常多,效果非常明显,是未来提升抗氧化性重要手段。

  三元材料大规模开发和应用相对较晚,在能量密度方面还有很大提升空间。目前主流材料厂商已经能做到180mAh/g水平,而三元高镍材料理论容量可达270mAh/g,还有很大提升空间。目前高容量三元材料存在对水敏感、首次效率低、循环差等特点。随着工艺技术进步这些问题或可解决,富锂正极也是很多研究机构和企业研究的热点。

  另一方面硅系负极材料可以极大提升负极的克容量。一直以来负极材料均已石墨为主,石墨负极技术已经非常成熟,实际容量已经非常接近理论容量。要提高负极克容量,必须采用其他材料。

  而硅锡等金属负极是非常合适的选择,最早日本sony有采用锡复合负极提升电池能量密度,已经向市场推出了高容量18650产品。近几年来硅复合负极得到了重视,其中硅碳复合负极和氧化亚硅-石墨复合负极技术较为成熟,日韩企业已经应用到高容量产品中。

  目前国内材料厂、电芯厂也逐步推出硅系负极高容量产品。硅的理论克容量4200mAh/g,但是体积膨胀效应非常大,因此多采用与石墨复合以减小膨胀带来的影响。金属锂负极具有比硅负极更高克容量,但其枝晶问题上没有解决,安全风险高。且金属锂与电解液容易反应,降低其循环寿命。目前金属锂负极电池还难以大规模推向市场。


标签: 锂电池

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