介绍锂离子电池四大关键材料：正极、负极、隔膜、电解液

讲解一下电动汽车中动力锂离子电池到底为何方“神物”

锂离子电池四大关键材料：正极、负极、隔膜、电解液。

锂离子电池充放电原理图：

正极材料性能对比

随着纯电动汽车政府补贴门槛提高，要求动力电池能量密度越来越高。目前发展前景最广阔的动力锂电池正极材料是三元材料（NCM/NCA)。随着正极材料中镍含量占比提高，电池能量密度提升，安全性能下降，制备难度上升，主流三元材料中333型、523型和622型NCM（如图二所示）国内均实现量产，811型能够量产的厂家较少。
负极材料：是锂离子电池重要组成部分，性能优异的负极材料具备较高比能量、相对锂电极的电极电势低、充放电反应的可能性好、与电解液兼容性好，约占锂离子电池成本10%-15%。

负极材料性能对比

综合成本和性能，目前电池负极材料以人造石墨为主，未来将以硅碳负极作为提升锂电池能量的突破口。

电解液：号称锂离子电池的“血液”，承担着运输锂离子的重任，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证，同时也在一定程度上影响锂离子电池的安全性，其成本约占锂离子生产成本的5%-10%。

作用：锂电池电解液是有机溶剂中溶有电解质锂盐的离子型导体，是电池中是离子传输的载体，在电池正负极之间起到传输能量的作用。

组成：电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质、添加剂等材料在一定条件下，按一定比例配置而成。

有机溶剂

常用电解液体系：EC+DMC，EC+DE，,EC+DMC+EMC，EC+DMC+DEC等。

电解质锂盐

常用电解质锂盐：六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiCLO4），从成本、安全性等方面考虑，六氟磷酸锂是目前用的最多的。

添加剂

隔膜

主要作用：将锂离子电池的正、负极隔开，只让电解质的离子通过以防止两极接触而短路。

性能：隔膜性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性。

分类：对于不同锂电池系列，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要耐有机溶剂的膈膜材料一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。

三元锂电池

三元锂电池全称是“三元材料电池”，一般是指采用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2，NCM）或镍钴铝酸锂（NCA）三元正极材料的锂电池，把镍盐、钴盐、锰盐作为三种不同的成分比例进行不同的调整，所以称之为“三元”，包含了许多不同比例类型的电池。从形状上来区分，可分为软包电池、圆柱电池和方形硬壳电池。其标称电压可达到3.6-3.8V，能量密度比较高，电压平台高，振实密度高，续航里程长，输出功率较大，高温稳定性差，但低温性能优异，造价也比较高。磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池则是采用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，用铁来做电池原料一来成本低廉，二不含重金属，对环境污染较小，工作电压为3.2V。磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，因此在零电压存放时并不会有泄漏，高温条件下或过充时安全性非常高，可快速充电，高放电功率，无记忆效应，循环寿命高，缺点为低温性能差，正极材料振实密度小，能量密度较低，产品的成品率和一致性也饱受质疑。

这两类电池各有所长

高温条件下，三元锂电池的三元材料会在200℃时发生分解，产生剧烈的化学反应，释放出氧原子，并在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象，因此基于安全的考虑，我国工信部在2016年1月，通过特殊发文规定将三元锂电池的使用暂时限制在纯电动客车之外。而磷酸锂电池的分解温度在800℃，更不容易着火，安全性相对较高。

低温条件下（气温低于-10℃以下），磷酸锂电池衰减得非常快，经过不到100次充放电循环，电池容量将下降到初始容量的20%，基本与寒冷地区的使用绝缘了；而三元锂电池的低温性能优异，在-30℃条件下可保持正常电池容量，更适应北方低温地区的使用条件。

从制造成本上来看，三元锂电池所必需的钴元素在我国储量较少，大部分靠海外进口，受到市场波动影响非常大，所以三元锂电池的成本必然居高不下，而磷酸铁锂电池所需原材料无需进口，供应充足，价格稳定，成本相对较低。

在实验条件下，磷酸铁锂电池循环5000次后，剩余容量为84%，1C（1C表示电池一小时完全放电时电流强度） 循环5 000 次后仍能保持80%以上的初始容量；三元锂电池循环3900次后，剩余容量只剩下66%，1C循环2500次后就下降到80%初始容量。相比起来磷酸锂电池的循环寿命要远远大于三元锂电池。此外，磷酸铁锂电池能量密度为120Wh/kg，已经基本达到理论极致，而三元电池的能量密度180Wh/kg，今后还有很大的提升空间。

前景

日本松下、韩国LG化学、三星SDI等多采用三元锂电池的技术路线，比如新能源巨头特斯拉就采用了松下的镍钴铝酸锂三元锂电池，就是所谓的NCA，在Model S和Model X上采用的是松下18650电池组，而最新的MODEL 3采用了更大容量的21700圆柱体电池组。

国内的新能源汽车企业在早期源于成本问题，大多采用磷酸铁锂电池作为能量来源，如比亚迪等企业则为磷酸铁锂电池的主力厂商，推出了秦、唐、宋等众多明星产品，而现如今由于国家对于续航里程等补贴标准的提升，三元锂电池市场份额在逐渐提升。

写在最后

在与磷酸铁锂电池的竞争中，三元锂电池的安全问题有待提升，这始终是盘桓在汽车企业脑海中的阴影，连特斯拉Model X这样的技术领先产品，也曾在国内外多次发生电池组起火燃烧的事故。但从长远来看，三元锂电池有着磷酸铁锂电池不可比拟的高能量密度、耐低温等特性，在新能源汽车发展的未来，三元锂电池解决掉安全和成本问题之后，将彻底取代目前磷酸铁锂的市场地位，将成为新能源市场上的大势所趋。