【原】【大象能源?錳酸鋰】雷洪鈞博士觀點 | 三元鋰子電池技術(shù)發(fā)展態(tài)勢及挑戰(zhàn)分析

起點鋰電大數(shù)據(jù) 2021-04-15

展開全文

摘要：發(fā)展三元電池依然是相當長的時間內(nèi)的主要任務(wù)。

目前純電動汽車使用動力電池是二次鋰離子電池，即可充電的電池。按動力電池正極材料的不同，基本分為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩大類，其他的動力電池已經(jīng)基本出局了。同時市場也分為兩大塊，磷酸鐵鋰電池主要是客車市場，三元鋰電池主要是乘用車市場。下面對三元鋰電池技術(shù)發(fā)展態(tài)勢及挑戰(zhàn)予以分析，供同行參考。

一、三元鋰離子電池與磷酸鐵離子電池異同點

1）相同點

三元鋰離子電池與磷酸鐵離子電池工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致。

(1)離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有正極材料、電解質(zhì)、負極材料。如圖1所示。.

圖1 離子電池結(jié)構(gòu)圖

(2)原理：當放電的時候，Li離子從負極遷移到正極；而充電時，Li離子從正極遷移到負極，是一個搖椅式電池。

圖2 離子電池工作原理

(3)三元鋰離子電池與磷酸鐵離子電池負極材料是石墨。結(jié)晶度高，導(dǎo)電性好，對鋰離子的容量大，達到了372mAh/g。

2)不同點

(1)三元鋰離子電池的正極材料是含有鎳鈷錳酸鋰(Li(Ni,Co,Mn)O2 的三種過渡金屬元素的。合成工藝、材料摻雜和表面包覆改性、電解液匹配三方面的不同，三元材料比例(111, 523, 424, 811)主要種形式。

(2)磷酸鐵離子電池的正極材料是LiFePo4。

二、三元鋰離子電池與磷酸鐵離子電池相比，誰應(yīng)用前景更大

(1)從能量密度而言，根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)，相同質(zhì)量的磷酸鐵鋰電池的能量密度只有三元電池的一半。目前三元電池能量密度已經(jīng)實現(xiàn)300mAh/g。而磷酸鐵鋰電池能力密度為可以達到150mAh/g。

(2)三元電池低溫性能也高于磷酸鐵鋰電池

三元鋰電池又被為“三元聚合物鋰電池”，體積更小、能力密度更高、耐低溫、循環(huán)性能也更好。但是三元鋰電池在250-300℃高溫就會產(chǎn)生分解，并且三元鋰材料的化學(xué)反應(yīng)尤其強烈，一旦釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，隨即發(fā)生爆燃現(xiàn)象。

為了提高三元鋰電池安全性所采用措施有：過充保護、過放保護、過溫保護、過流保護這些環(huán)節(jié)，實時監(jiān)測電池狀態(tài)等。目前采用了三元鋰電池的新能源客車沒有辦法進入新能源車型目錄，有待以上的安全措施被證明是完全有效的。

而研究基本結(jié)論是，三元鋰離子電池前景更大，在純電動汽車應(yīng)用上三元鋰電池磷酸鐵鋰電池是一個趨勢。

三、不同的比例、不同外型三元鋰電池誰更優(yōu)秀

目前三元鋰電池按鎳鈷錳比例不同有(111, 523, 424, 811)等基本4種。基本發(fā)展趨勢，鎳的比例已經(jīng)到“8”，即高鎳三元電池。目前企業(yè)將NMC811加安全添加劑，負極是硅碳，電芯能量密度達到了302Wh/kg。

三元鋰電池外形有圓形、方形和軟包裝三類，目前有不同優(yōu)劣。基本趨勢是，如果方形電池也擁有和圓柱形電池一樣的行業(yè)標準，那么兩者在應(yīng)用上的優(yōu)劣勢基本也在同一水平線上。

圖3 原型三元鋰電池外形

不過軟包電池，設(shè)計靈活性則更強，且兼具了重量低、能量密度高等更明顯的優(yōu)勢。

圖4 軟包磷酸鐵鋰電池外形

研究結(jié)論：

(1)發(fā)展高鎳三元電池是基本趨勢；

(2)電動汽車目前還在高速發(fā)展過程中，軟包電池優(yōu)勢明顯；

(3)三元電池安全措施要同步跟上，尤其是動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

四、三元鋰電池面臨的挑戰(zhàn)

①由于三元電池已經(jīng)發(fā)展到電芯能量密度達到了302Wh/kg，三元電池正極發(fā)展基本也到天花板級別了。

②三元鋰電池?zé)岱€(wěn)定性差，而采用安全措施基本外部的且成本較高。

③目前三元鋰電池安全措施的可靠性，如何驗證？

④全固態(tài)電池研發(fā)取得里了程碑式進展。固態(tài)電解質(zhì)具有不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液的性質(zhì)，是三元鋰電池不能相比的。

圖5 液體電解質(zhì)與固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池的對比

2019年6月24日，先進鋰離子電池和系統(tǒng)開發(fā)制造商萬向一二三和先進材料公司Ionic Materials正式對外宣布，全固態(tài)電池研發(fā)取得里了程碑式進展。

由于其不需要液體的，僅需固態(tài)電解質(zhì)將正負極片隔開。固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率低于液態(tài)電解液，內(nèi)阻較大，固態(tài)電池暫時無法滿足快充要求，的確擁有非常高的安全性，但是全固態(tài)電池在能量密度上目前還沒有太大的優(yōu)勢。

五、三元鋰電池的優(yōu)勢

①三元鋰電池已經(jīng)成為新能源乘用車的主流電池，商用車，尤其是大客車采用三元鋰電池在未來的1-2年時間，也是可以實現(xiàn)的。

②磷酸鐵鋰電池發(fā)展空間還比較大，依然是三元鋰電池競爭對手；

③全固態(tài)電池在相當一段時間里，還是處于三元電池潛在的競爭對手的地位。主要理由其不需要液體，用固態(tài)電解質(zhì)將正負極片隔開，其內(nèi)阻較大，電導(dǎo)率低于液態(tài)電解液。而全固態(tài)電池在能量密度上也目前沒有太大的優(yōu)勢。

④三元鋰電池強有力的競爭對手主要是半全固態(tài)電池。

六、研究結(jié)論

2017年3月1日，中央四部委印發(fā)了《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》通知，明確指出了一是產(chǎn)品性能大幅提升，2020年動力電池系統(tǒng)比能量力爭較現(xiàn)有水平提高一倍達到260瓦時/公斤、成本降至1元/瓦時以下，2025年動力電池單體比能量達500瓦時/公斤；二是產(chǎn)品安全性滿足大規(guī)模使用需求，實現(xiàn)全生命周期的安全生產(chǎn)和使用。

《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》將提高電池比能量作為今后的重點發(fā)展目標之一，即發(fā)展三元電池依然是相當長的時間內(nèi)的主要任務(wù)。