关于锂离子动力电池研究中应予以关注的基础科学问题
来源：未知
2019-04-11 20:35
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进一步提高电池的能量密度是动力电池发展的主题和趋势,而关键材料是其基础.本文从锂离子动力电池正、负极材料,隔膜及电解液等几个方面,对锂离子动力电池关键材料的发展趋势进行评述.开发高电压、高容量的正极新材料成为动力锂离子电池比能量大幅度提升的主要途径;负极材料将继续朝低成本、高比能量、高安全性的方向发展,硅基负极材料将全面替代其他负极材料成为行业共识.此外,本文还对锂离子动力电池正极、负极材料等的选择及匹配技术、动力电池安全性、电池制造工艺等的关键技术进行了简要分析,并提出了锂离子动力电池研究中应予以关注的基础科学问题.
1引言
发展新能源汽车被广泛认为是有效应对能源与环境挑战的重要战略举措.此外,对我国而言,发展新能源汽车是我国从“汽车大国”迈向“汽车强国”的必由之路[1].近年来,新能源汽车产销量呈现井喷式增长,全球保有量已超过130万辆,已进入到规模产业化的阶段.我国也在2015年超过美国成为全球最大的新能源汽车产销国.以动力电池作为部分或全部动力的电动汽车,因具有高效节能和非现场排放的显著优势,是当前新能源汽车发展的主攻方向.为了满足电动汽车跑得更远、跑得更快、更加安全便捷的需求,进一步提高比能量和比功率、延长使用寿命和缩短充电时间、提升安全性和可靠性以及降低成本是动力电池技术发展的主题和趋势.
近日,由中国汽车工程学会公布的《节能与新能源汽车技术路线图》为我国的动力电池技术绘制了发展蓝图.该路线图提出,到2020年,纯电动汽车动力电池单体比能量达到350Wh/kg,2025年达到400Wh/kg,2030年则要达到500Wh/kg;近中期在优化现有体系锂离子动力电池技术满足新能源汽车规模化发展需求的同时,以开发新型锂离子动力电池为重点,提升其安全性、一致性和寿命等关键技术,同步开展新体系动力电池的前瞻性研发;中远期在持续优化提升新型锂离子动力电池的同时,重点研发新体系动力电池,显著提升能量密度、大幅降低成本、实现新体系动力电池实用化和规模化应用.
由此可见,在未来相当长的时间内,锂离子电池仍将是动力电池的主流产品.锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、环境友好、可以兼具良好的能量密度和功率密度等优点,是目前综合性能最好的动力电池,已被广泛应用于各类电动汽车中[2~7].
本文简要介绍了锂离子动力电池的产业技术发展概况,并从锂离子动力电池正、负极材料,隔膜及电解液等几个方面,对锂离子动力电池关键材料的发展趋势进行评述.本文还对锂离子动力电池正、负极材料的选择及匹配技术、动力电池安全性、电池制造工艺等关键技术进行了简要分析,并提出了锂离子动力电池研究中应予以关注的基础科学问题.
1引言
发展新能源汽车被广泛认为是有效应对能源与环境挑战的重要战略举措.此外,对我国而言,发展新能源汽车是我国从“汽车大国”迈向“汽车强国”的必由之路[1].近年来,新能源汽车产销量呈现井喷式增长,全球保有量已超过130万辆,已进入到规模产业化的阶段.我国也在2015年超过美国成为全球最大的新能源汽车产销国.以动力电池作为部分或全部动力的电动汽车,因具有高效节能和非现场排放的显著优势,是当前新能源汽车发展的主攻方向.为了满足电动汽车跑得更远、跑得更快、更加安全便捷的需求,进一步提高比能量和比功率、延长使用寿命和缩短充电时间、提升安全性和可靠性以及降低成本是动力电池技术发展的主题和趋势.
近日,由中国汽车工程学会公布的《节能与新能源汽车技术路线图》为我国的动力电池技术绘制了发展蓝图.该路线图提出,到2020年,纯电动汽车动力电池单体比能量达到350Wh/kg,2025年达到400Wh/kg,2030年则要达到500Wh/kg;近中期在优化现有体系锂离子动力电池技术满足新能源汽车规模化发展需求的同时,以开发新型锂离子动力电池为重点,提升其安全性、一致性和寿命等关键技术,同步开展新体系动力电池的前瞻性研发;中远期在持续优化提升新型锂离子动力电池的同时,重点研发新体系动力电池,显著提升能量密度、大幅降低成本、实现新体系动力电池实用化和规模化应用.
由此可见,在未来相当长的时间内,锂离子电池仍将是动力电池的主流产品.锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、环境友好、可以兼具良好的能量密度和功率密度等优点,是目前综合性能最好的动力电池,已被广泛应用于各类电动汽车中[2~7].
本文简要介绍了锂离子动力电池的产业技术发展概况,并从锂离子动力电池正、负极材料,隔膜及电解液等几个方面,对锂离子动力电池关键材料的发展趋势进行评述.本文还对锂离子动力电池正、负极材料的选择及匹配技术、动力电池安全性、电池制造工艺等关键技术进行了简要分析,并提出了锂离子动力电池研究中应予以关注的基础科学问题.
4.1.1正极、负极材料等的选择及匹配技术
锂离子动力电池的寿命、安全性和成本等基本性能很大程度上取决于其电极材料体系的选择和匹配.因此如何选择高比能量、长寿命、高安全、低成本的材料体系是当前锂离子动力电池的重要技术.
4.1.2动力电池安全性
安全性是决定动力电池能否装车应用的先决条件
.图7包覆上耐高温聚多巴胺保护层的SiO2陶瓷隔膜[98].(a)隔膜结构及合成示意图;(b)隔膜形貌表征;(c)隔膜热收缩性能对比(网络版彩图)
图8锂离子动力电池关键材料技术现状及发展趋势总结(网络版彩图)
随着锂离子电池能量密度的逐步提升,电池安全性问题无疑将更加突出.导致锂离子电池安全性事故发生的根本原因是热失控,放热副反应释放大量的热及有机小分子气体,引起电池内部温度和压力的急剧上升;而温度的急剧上升反过来又会呈指数性加速副反应,产生更大量的热,使电池进入无法控制的热失控状态,导致电池终发生爆炸或燃烧[101,102].高比能的NCM和NCA三元正极、锰基固熔体正极均较LFP材料的热稳定性差,使人们在发展高能量密度动力电池的同时不得不更加关注安全问题[103].解决电池安全性问题至少需要从两方面着手:(1)防止短路和过充,以降低电池热失控的引发几率;(2)发展高灵敏性的热控制技术,阻止电池热失控的发生[104].
4.1.3电池制造工艺
随着动力电池应用的不断加深,单体电池向着大型化、易于成组的方向发展.在这一过程中,单体电池的制造技术尤为重要.提高产品一致性,从而使电池成组后的安全性、寿命更高,使其制造成本更低将是未来锂离子电池制造工艺的发展方向.(1)开发生产设备高效自动化技术,研发高速连续合浆、涂布、辊切制片、卷绕/叠片等技术,可以降低生产成本;(2)开展自动测量及闭环控制技术研发,提高电池生产过程测量技术水平,实现全过程实时动态质量检测,实现工序内以及全线质量闭环控制,保证产品一致性、可靠性;(3)建立自动化物流技术开发,实现工序间物料自动转运,减少人工干预;(4)开展智能化生产控制技术研发,综合运用信息控制、通讯、多媒体等技术,开发有效的生产过程自动化控制及制造执行系统,最大程度地提高生产效率,降低人工成本.
4.2锂离子动力电池的基础科学问题
4.2.1研究电极反应过程、反应动力学、界面调控等基础科学问题
目前,元素掺杂、包覆等方法被广泛应用于材料改性,但究其原因往往“知其然不知其所以然”,如LFP可以通过异价锂位掺杂显著提高电子导电性,但其究竟是晶格掺杂还是通过表面渗透还存在争议.另外,一般认为LFP较低的电子导电性和离子扩散特性是导致倍率特性不佳的主要原因,但研究表明,锂离子在电极/电解液界面的传输也是影响LFP倍率特性的重要因素.通过改善界面的离子传输特性,可以获得更好的倍率特性.因此深入研究电极上的表面电化学反应的机理,尤其是关于SEI膜的形成、性质以及电极与电解液的相互作用等,可以明确材料的结构演化机制和性能改善策略,为材料及电池性能的改善提供理论指导[6].
4.2.2发展电极表界面的原位表征方法
锂离子电池电极材料的性能主要取决于其组成及结构.通过原位表征技术系统研究材料的组成-结构-性能间构效关系对深入了解电极材料的反应机理,优化材料组成与结构以提高其性能及指导高性能新材料开发与应用均有十分重要意义[105,106].例如,原位Raman光谱可以通过晶格(如金属-氧配位结构)振动实时检测材料的结构变化,为找寻材料结构劣化原因提供帮助[107~109].同步辐射技术不仅可通过研究电极材料中原子周围化学环境,获取电极材料中组成元素的氧化态、局域结构、近邻配位原子等信息,还可原位获得电池充放电过程电极材料的结构演化、过渡金属离子氧化态以及局域结构变化等信息,精确揭示电池反应机理[110,111];固体核磁共振谱(NMR)则可提供固态材料的局域结构信息,得到离子扩散相关的动力学信息[112,113].
电池剩余电量用完再充的原则并不是要你走向极端。和长充电一样流传甚广的一个说法，就是“尽量把手机电池的电量用完，最好用到自动关机”。这种做法其实只是镍电池上的做法，目的是避免记忆效应发生，不幸的是它也在锂电池上流传之今。曾经有人因为手机电池电量过低的警告出现后，仍然不充电继续使用一直用到自动关机的例子。结果这个例子中的手机在后来的充电及开机中均无反应，不得不送客服检修。这其实就是由于电池因过度放电而导致电压过低，以至于不具备正常的充电和开机条件造成的。
3、对锂电池手机的正确做法
归结起来，我对锂电池手机在使用中的充放电问题最重要的提示是：
1、按照标准的时间和程序充电，即使是前三次也要如此进行；
2、当出现手机电量过低提示时，应该尽量及时开始充电；
3、锂电池的激活并不需要特别的方法，在手机正常使用中锂电池会自然激活。如果你执意要用流传的“前三次12小时长充电激活”方法，实际上也不会有效果。
因此，所有追求12小时超长充电和把锂电池手机用到自动关机的做法，都是错误的。如果你以前是按照错误的说法做的，请你及时改正，也许为时还不晚。
当然，在手机及充电器自身保护和控制电路质量良好的情况下，对锂电池的保护还是有相当保证的。所以对充电规则的理解才是重点，在某些情况下也是可以做出某种让步的。比如你发现手机在你夜晚睡觉前必须充电的话，你也可以在睡前开始充电。问题的关键在于，你应该知道正确的做法是什么，并且不要刻意按照错误的说法去做。
5结论
锂离子动力电池是目前最具实用价值的动力电池,近几年在产业化方面发展迅速,有力地支撑了电动汽车产业的发展.然而,锂离子动力电池仍然存在许多有待解决的应用问题,特别是续航能力、安全性、环境适应性和成本,需要在动力电池基础材料、电池制造和系统技术全产业链上同时进行研究.可以预期相关技术将在近年内取得长足进步并实现规模应用.随着电动汽车的快速发展,锂离子动力电池将迎来爆发增长的黄金期.
