哪些因素会对锂电池循环次数有影响？如何降低负面影响？
来源：宝鄂实业
2019-04-25 09:35
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在过去的20多年时间里，锂离子电池已经在消费电子领域取得了巨大的成功，而如今锂离子电池又开启了一个全新的领域——动力电池。目前动力电池的发展经过了两个阶段，在动力电池发展的初期，出于安全和成本的考虑磷酸铁锂电池占据了绝对领先地位，后随着国家补贴政策的调整，在乘用车领域以三元／石墨体系为代表的高能量密度锂离子电池逐渐占了上风，而在大巴车等领域磷酸铁锂仍然占主导地位，转型的过程是痛苦的，一些没有及时调整产品结构的厂家逐渐被市场淘汰，抓住风口的CATL则接着这股东风成功起飞。
随着动力电池能量密度的持续提高，以三元／石墨或者三元／硅碳为代表的高比能电池体系逐渐发展到了瓶颈期，目前主流三元／石墨体系方形动力电池能量密度大约在240Wh/kg左右，采用硅碳后能量密度可以提高到260Wh/kg以上，但是仍然无法满足乘用车长续航里程（1000km）的需求，需求是变革的驱动力，动力电池的下一个风口即将到来。
下一代动力电池的候选者包括Li-O2、Li-S和全固态锂金属电池，其中全固态锂金属电池凭借着优异的安全性能得到了包括崔屹、Goodenough等大神级科研工作者的力挺。近日，崔屹、Goodenough等大神们在NatureEnergy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，-3.04Vvs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。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。
随着动力电池能量密度的持续提高，以三元／石墨或者三元／硅碳为代表的高比能电池体系逐渐发展到了瓶颈期，目前主流三元／石墨体系方形动力电池能量密度大约在240Wh/kg左右，采用硅碳后能量密度可以提高到260Wh/kg以上，但是仍然无法满足乘用车长续航里程（1000km）的需求，需求是变革的驱动力，动力电池的下一个风口即将到来。
下一代动力电池的候选者包括Li-O2、Li-S和全固态锂金属电池，其中全固态锂金属电池凭借着优异的安全性能得到了包括崔屹、Goodenough等大神级科研工作者的力挺。近日，崔屹、Goodenough等大神们在NatureEnergy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，-3.04Vvs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。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。
