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        8. GGII:鋰電池高能量技術研究熱點剖析

          時間:2016-05-18 15:06:55   來源:高工鋰電網   作者:IT辦公室 
                近期高工產研鋰電研究所(GGII)走訪了50多家企業和參加多個論壇交流,發現目前鋰電池在高能量密度技術方面有較大突破。 
            高能量密度發展路線包括:高電壓正極材料、高克容量正負極材料。高電壓正極材料通常指電池使用電壓高于4.2V的正極材料。鈷酸鋰、錳酸鋰、三元均有高電壓材料。
            其中高電壓鈷酸鋰商用化已經很成熟,大量應用于高端數碼類產品,其能量密度比普通的三元電池要高。目前高電壓鈷酸鋰電池電壓通常為4.35V,未來3-5年4.4V、4.5V高電壓鈷酸鋰電池或可大規模應用。
            三元高電壓正極材料應用很少,基本處于研究階段。但三元高電壓正極材料或許是未來達到300Wh/kg能量密度的突破口。
            目前三元NCM811材料克容量已經超過180mAh/g,通過包覆或者參雜可以實現高電壓,同時其克容量也會進一步提高(高電壓材料相當于將低電壓時沒有活性的鋰激活,更大限度的利用材料)。但目前三元材料高電壓化還有很多技術問題沒有解決,材料自身的穩定性尚未解決。 
            錳酸鋰正極材料充電電位可達4.7V,晶格結構非常穩定。
               目前錳酸鋰電池能量密度150Wh/kg,高于磷酸鐵鋰電池能量密度。錳酸鋰晶體結構穩定、熱穩定性良好,錳酸鋰電池的安全性非常高。其中錳酸鋰-鈦酸鋰體系電池在快充領域有極好的應用前景。 
            磷酸鐵鋰由于容量發揮已經接近理論,通過高電壓化難以激活更多的鋰,效果非常有限。但磷酸鐵錳(釩)鋰、硅酸鐵鋰能量密度更高,是很多研究機構和企業研究的熱門領域,硅酸鐵鋰分子含有兩個鋰離子,其理論克容量高達332mAh/g。 
            高電壓正極材料需要高電壓電解液配合使整個電池系統運行良好。要使電解液在高電壓環境下穩定運行,必須要提高溶劑的耐氧化性,同時阻斷正極與電解液直接接觸。提高電解液抗氧化性方法包括氟代溶劑,氟代溶劑價格太高,大規模應用難以實現。 
            其他新型抗氧化性溶劑如離子液體,具有良好的離子導電性和抗氧化能力,是一種優良鋰電池溶劑,但目前價格高昂,難以大規模推廣。阻斷電解液和電解液直接接觸的方法包括正極材料包覆,正極成膜添加劑。正極材料包覆和添加劑研究非常多,效果非常明顯,是未來提升抗氧化性重要手段。 
            三元材料大規模開發和應用相對較晚,在能量密度方面還有很大提升空間。目前主流材料廠商已經能做到180mAh/g水平,而三元高鎳材料理論容量可達270mAh/g,還有很大提升空間。目前高容量三元材料存在對水敏感、首次效率低、循環差等特點。隨著工藝技術進步這些問題或可解決,富鋰正極也是很多研究機構和企業研究的熱點。
            另一方面硅系負極材料可以極大提升負極的克容量。一直以來負極材料均已石墨為主,石墨負極技術已經非常成熟,實際容量已經非常接近理論容量。要提高負極克容量,必須采用其他材料。 
            而硅錫等金屬負極是非常合適的選擇,最早日本sony有采用錫復合負極提升電池能量密度,已經向市場推出了高容量18650產品。近幾年來硅復合負極得到了重視,其中硅碳復合負極和氧化亞硅-石墨復合負極技術較為成熟,日韓企業已經應用到高容量產品中。 
            目前國內材料廠、電芯廠也逐步推出硅系負極高容量產品。硅的理論克容量4200mAh/g,但是體積膨脹效應非常大,因此多采用與石墨復合以減小膨脹帶來的影響。金屬鋰負極具有比硅負極更高克容量,但其枝晶問題上沒有解決,安全風險高。且金屬鋰與電解液容易反應,降低其循環壽命。目前金屬鋰負極電池還難以大規模推向市場。
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