锂电池材料核心技术分析
来源：宝鄂实业
2019-10-19 20:44
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一。锂电池材料技术
正负材料
锂电池正负极材料体系非常丰富（图2）。目前，对钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰锂等正极材料的研究已趋于成熟。钴酸锂材料的比容量为200～210Ma·H/g，其真实密度和极片压实密度在现有正极材料中最高。商用钴酸锂/石墨系统充电电压可提高4.40v，可满足智能手机和平板电脑对大容量能量密度软包装电池的需求。锰酸锂成本低，生产工艺简单，热稳定性高，耐过充性好，放电电压平台高，安全性高。它适用于低成本的轻型电动汽车电池，但也存在一些问题，如理论容量较低，锰的溶解可能影响电池在高温环境下的使用寿命。国内锰酸锂材料主要满足移动电源、电动工具和电动自行车市场的需求，具有低端化发展趋势。ncm三元层状正极材料主要用于动力电池。除了lini1/3co1/3mn1/3o2（分别占镍、钴、锰的1/3）的成熟应用外，大容量lini0.5co0.2mn0.3o2也已批量应用。通常，它与锰酸锂混合用于电动汽车电池。掺铝锂镍钴氧化物的能量密度与高压锂钴氧化物电池的能量密度相近。近年来，电动汽车制造商特斯拉（tesla）一直用这种电脑电池驱动电动汽车。这种材料还可以与锰酸锂混合来制造汽车动力电池。国产nca前体已形成稳定的生产能力。少数企业已完成nca正极材料的开发，正在进行产品推广。.磷酸铁锂电池安全性高，使用寿命长。目前，纳米功率材料和高密度磷酸锰锂材料的发展速度很快。高能大功率材料性能趋于稳定，成本进一步降低，逐步满足了国内市场需求和现阶段我国新能源汽车推广的需要。高压尖晶石锰酸锂镍和高压高倍率高容量锂锰基阳极材料仍在开发中。
负极材料
石墨、硬/软碳及合金材料可作为动力电池负极材料。石墨作为负极材料应用广泛，其可逆容量已达到360ma·h/g，非晶硬碳或软碳可以满足电池在高倍率和低温下的应用需求，并开始应用，但主要与石墨混合。钛酸锂负极材料具有最佳的倍率性能和循环性能，适合于大电流快速充电电池，但电池比能量低，成本高。20世纪90年代，纳米硅被提出用作大容量阳极。通过掺杂少量纳米硅来提高碳负极材料的容量是目前研究的热点。含少量纳米硅或氧化硅的负极材料已开始进入小批量应用阶段，可逆容量为450 mA·h／g，但由于嵌锂于硅中的体积膨胀，实际使用中的循环寿命会降低，需要进一步解决。
电解质
锂离子电池电解液通常是由高介电常数的环碳酸盐和低介电常数的线状碳酸盐混合而成。一般来说，锂离子电池电解液应满足高离子电导率（10-3~10-2s/cm）、低电子电导率、宽电化学窗口（0~5v）、良好的热稳定性（-40~60℃）的要求。六氟磷酸锂等新型锂盐，在溶剂净化、电解液制备和功能添加剂等方面都取得了不断的进展。目前的发展方向是进一步提高其工作电压，提高电池的高低温性能。安全的离子液体电解质和固体电解质正在开发中。
隔膜
聚烯烃微孔膜以其优异的力学性能、良好的电化学稳定性和相对廉价的性能，是目前国内外聚烯烃微孔膜的主要产品。
2、单体电池技术
至今锂离子电池的基本设计仍与SONY公司于1989年专利申请公布的相同，单体的形状有圆柱、方形金属壳（铝/钢）和方形软包散装，圆柱电池原来主要用于笔记本电脑，现在特斯拉等公司选用的18650圆柱电池用于电动汽车。方形电池一般容量较大，电芯通过卷饶、Z形叠片、卷绕+叠片、正极包膜叠片、叠片+卷绕等方式制作。圆柱型电芯技术最成熟，制造成本较低，但大型圆柱电池的散热能力较差，故一般选用小圆柱电池。车用电池组容量大，电池数量多，管理系统较为复杂和昂贵。方形电池中卷绕结构电池制作工艺较简单，但主要适合于软极片电池，采用除尖晶石正极材料外磷酸铁锂和三元材料的电池均可用此方法。可靠性高、寿命长的叠片式电池适应于各种材料体系，通用Volt插电式混合动力汽车和日产Leaf纯电动汽车的电池均采用叠片工艺制造。至2015年，磷酸铁锂单体电池的比能量达到140W·h/kg，三元材料混合锰酸锂单体电池的比能量达到180W·h/kg，国际上采用NCA的小圆柱电池比能量达到240W·h/kg，未来几年锂离子单体电池的比能量将进一步提升，预期至2020年最高可达到300W·h/kg。
3、电池系统技术
从商品化的锂离子动力电池系统角度看，关键核心技术包括电池成组技术（集成电池配组、热管理、碰撞安全、电安全等）、电池管理系统（BMS）电磁兼容技术、信号的精确测量（如单体电压、电流等）技术、电池状态精确估计、电池均衡控制技术等。
图3 简易动力电池系统图
而BMS及电池系统的其他关键核心部件包括传感器、控制器、执行器等部件基本上由汽车电子技术强国（德、日、美）垄断。国内目前部分企业已成功开发智能电表，可以替代国外电流、电压、绝缘传感器。影响电动汽车推广应用的首要因素是锂离子动力电池的安全性和使用成本，除了电池本体的安全性、寿命及一致性进一步提升外，电池模块化技术、电池成组技术（集成电池配组、热管理、碰撞安全、电安全等）也与国外有较明显的差距。目前国际汽车企业电池成组技术较为成熟，国内研究单位在BMS电磁兼容技术、信号的精确测量技术、电池状态精确估计、电池均衡控制技术等方面开展了较为深入研。
电池电管理关键技术研发包括综合电池电化学模型、电气安全设计、电池状态估计、均衡管理、故障诊断与标定以及充电管理等方面。电池热管理关键技术及系统研发需根据电池组的结构设计和电池产热计算分析，研究不同热管理技术的散热均温效果，得到成本低、工艺简单、安全可靠性强的电池热管理散热方案。根电池结构轻量化需以电池系统及整车的相关结构为研究对象，考虑相互间的耦合特性，从结构设计优化与材料选型两个方面开展结构抗振、抗冲击和轻量化的集成优化设计关键技术研究工作。对零部件材料、结构设计、联接等设计方案进行优化，电池安全性方面需在电气安全、机械安全和热安全的基础上开展电池系统的安全性整体方案设计研究，针对电池系统开展故障诊断预测、热安全监测预警和防控关键技术。
4、展望
在未来相当长一段时间里，锂离子电池仍是最适用的电动汽车电池，锰酸锂正极材料、三元体系正极材料、磷酸铁锂正极材料、复合碳负极材料、陶瓷涂层隔膜、电解质盐及功能电解液技术的发展支撑了电池技术的进步和产业发展。电池系统技术在应用中进步，安全性和可靠性将在未来几年得到进一步提升。
