鋰離子電池開發面臨的技術問題及解決對策淺析

顧正建，鄧大偉，金園園，嚴 媛，黃 惠

（1.無錫市產品質量監督檢驗院，江蘇 無錫 214028；2.金龍聯合汽車工業（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215026）

隨著材料體系的更新和生產技術的進步，鋰離子電池的應用范圍越來越寬，已從便攜電子設備擴展到能源交通、發電儲能、航空航天等領域。根據應用場景的不同，鋰離子電池可主要分為動力型電池和儲能型電池。儲能電池主要應用在儲能電源及系統（如發電儲能、UPS、智能電網）和小型電器（如信息通信、數字產品）等。動力電池主要應用在電動汽車、輕型電動車及電動工具等。鋰離子電池具有多個重要技術參數，針對其開發存在的問題和解決對策，下面將展開具體分析。

1 能量密度

為了提高鋰離子電池的能量密度，人們主要可以從以下幾方面入手。

1.1 提高電化學活性元素含量，進而提升放電比容量

LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（111）、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（523）、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（622）、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（811）等多種類型的多元材料越來越多地被研究。有研究表明，111、523、622三種材料的放電平臺基本重合，且低于811材料，同時放電比容量隨著Ni含量的增加而升高。與111材料相比，523、622及811材料的比容量分別增加6.3%、10.4%和29.3%[1]。因此，提升Ni含量必然可以實現多元正極材料能量密度的提升。

1.2 提高電池電極材料的壓實密度

電極材料的高壓實密度一般可以通過以下方式實現：一是通過混摻大小顆粒，進行級配驗證，可尋找壓實密度較高的大、小顆粒的混摻組合。研究數據表明，通過某種工藝制備的多元材料壓實密度可以達到3.75～3.80 g/cm3，相比于常規多元材料可以提升5%～10%[1]。二是提高現有電極粉體材料的致密化。電極材料的顆粒做得直徑大、更致密化，這也是一種提升壓實效果的有效手段。

1.3 提升電池的工作電壓

目前，國內外手機和其他新一代信息技術電子產品電池的生產廠家都在向高電壓鋰離子電池這個方向挖掘。高電壓及高能量密度的鋰離子電池在新一代信息技術電子產品上會有更大的市場空間。

2 安全性

為了解決鋰離子電池的安全問題，在提高電池單體安全性（本文不做闡述）的同時，人們應從電池組角度入手，強化鋰離子電池成組安全技術。鋰離子電池組安全技術主要包括管理系統優化、冷卻系統優化、安全結構設計等方面[2]。

2.1 鋰離子電池組管理系統

鋰離子電池組管理系統（BMS）是連接電池和宿主設備的重要紐帶，其主要功能包括：電池物理參數實時監測；電池狀態估計；在線診斷與預警；充、放電與預充控制；均衡管理和熱管理等。優化BMS不但能維持電池組安全可靠運行，而且可延長電池使用壽命。

2.2 鋰離子電池組冷卻技術

鋰離子電池組冷卻技術主要包括風冷、液冷和相變材料冷卻。

風冷使用空氣散熱器將電池組內氣體形成對流。多數電動汽車采用這種散熱方式來增強車內動力鋰離子電池組的安全性。

液冷通常將裝載循環液體的管道安裝在電池模塊間。液冷系統一般有以下部件：液冷塊、循環液、液泵、管道和液箱。循環液由液泵的作用在循環的管道中流動吸收電池熱量。液冷的冷卻效果和冷卻溫度的均勻性均優于風冷。

相變材料冷卻作為鋰離子動力電池組冷卻方案于2000年被首次提出[2]。相變材料是指隨溫度變化而改變物質狀態并能提供分子熱的材料。轉變物質狀態的過程稱為相變過程。目前，用于鋰離子電池冷卻的相變材料有蠟質材料和水合鹽材料等。

2.3 安全結構技術

2.3.1 熱傳播阻斷結構

放置于電池模塊特征單體之間的隔熱材料可用來減少熱失控時單體之間熱傳播。若將隔熱材料與彈性材料結合形成復合材料，還可吸收熱失控沖擊力，實現熱量和力量的雙重阻斷。國外科學家在鋰離子電池包中設計了多個裝載液體或高熔點、低導熱系數的材料的空心橫梁，將電池包分割成多個組，延緩各組之間熱失控傳播速度[2]。

2.3.2 泄壓通道

合理的泄壓通道設計可隔離失效電池產生的過量氣體和噴射物，抑制熱失控的產生及避免直接加熱附近正常電池。電池組中每只電池可設計單獨的泄壓通道，還可在單獨泄壓通道內增加降溫滅火氣體，如CO2，N2，Ar等，抑制危險在電池組內擴散。

3 壽命

本文主要從設計和制造工藝角度提出提高鋰離子電池循環壽命的方法。

3.1 正負極片需良好匹配

電池設計裝配過程中一般要求負極容量相對正極適當過量，可降低鋰枝晶產生概率，但過量應適中，防止正極脫鋰過多，造成結構坍塌。電解液因素也至關重要，其與正負極活性物質電化學反應過程中、電池化成形成SEI膜時，會有電解液損耗，因此電解液的溶劑、添加劑種類和注液量對電池壽命也至關重要。

3.2 電池生產過程流程控制需嚴格

活性物質勻漿過程，應注意添加劑（黏結劑、分散劑）的添加量、勻漿速度、溫濕度等，保證漿料均勻；涂布過程，要均衡電池能量密度和壽命的關系，合理控制活性物質涂布量；壓實環節，尋找最佳電極壓實密度以增大電池的放電容量，減小阻抗，減小電池極化，延長電池使用壽命；卷繞過程，卷繞終了的電池群結構應緊密，隔膜和正負極卷繞越緊密，電池歐姆阻抗越小，但要保證電解液足夠含浸在各主材中，卷繞過松會使極片在充放過程中發生過度膨脹，增大內阻，縮短循環壽命。

4 成本

4.1 原材料成本端

降低原材料成本主要從物理角度和化學角度出發。物理角度包括兩個方面。一是電芯環節。圓柱路線目前成本最低，主要通過18 650向21 700等大容量單體切換實現進一步降本；軟包路線成本最高，主要通過規?；a降低成本，改進工藝來提升能量密度；方型路線主要通過大容量與殼體輕量化實現成本降低。二是PACK環節。它是目前的重點突破環節，主要通過提升成組效率提升系統能量密度，產業目標為由目前65%水平提升至85%。

化學角度主要是提升正極材料性能?；瘜W角度包括Ⅰ正極材料：高鎳NCM材料與NCA材料，高能量密度的正極材料能夠大大減少負極、隔膜與電解液等材料的用量；Ⅱ負極材料：硅碳負極替代切換；Ⅲ隔膜：薄型化隔膜；Ⅳ電解液：新型電解液LiFSi。

4.2 梯級利用和資源綜合利用

退役電池合理的梯次利用將大大增強電池的經濟效益。一般而言，動力電池長時間使用后放電容量低于初期標定容量的80%時，電池不宜在電動汽車上繼續使用。但是，一般情況下，容量保持率在60%～80%仍有較大利用價值。使用的方法在理論研究和示范工程應用較多，在商業化推廣方面還處在初期的探索階段。商業化的方式有兩種：一是梯次利用，如應用于儲能與低速電動工具；二是資源綜合利用，提取廢電池中的鎳、鈷等貴重金屬，但是難度較大，目前提取成本仍較高。

4.3 模塊化設計與縱向一體化

模塊化就是在相同的基本架構上進行定制化組合，使得設計、生產車輛就像搭積木一樣簡單、快捷。這一概念的運用將極大地節省研發成本、驗證周期及生產成本。模塊化設計在傳統車領域已經非常成熟，隨著新能源汽車產銷的逐漸擴大及相關標準化要求的提出，這一模式也將被廣泛應用。

縱向一體化也能夠實現交易成本的下降。人們可從上游礦石材料、電池級材料、電池的PACK和BMS到下游整車的一體化路線，實現成本的有效下降。

5 結語

（1）鋰離子電池開發面臨的主要技術問題為：能量密度的提升、安全性的提高、循環壽命的提高、成本的降低以及環境適應性的增強。

（2）因續航能力及復雜適用工況的要求，車用動力電池及新一代信息技術用電池設計技術更側重于能量密度的提升和使用安全性的提高。分析認為，人們可通過提升電化學活性元素含量，提高電池正極材料的壓實密度，提高鋰離子電池的工作電壓等方式，提升電池的能量密度。同時，人們可以通過完善鋰離子電池管理系統，提升鋰離子電池組冷卻技術，增加電池組內熱傳播阻斷、泄壓通道等安全結構設計等，提高電池組使用安全性。

（3）工業儲能電池由于大規模集中使用，并且地點不易變動，儲能用鋰離子電池的設計更側重于循環壽命的提高和成本的降低。分析認為，人們可通過正負極的良好匹配及嚴控電池生產工藝流程來提高電池使用壽命,可通過降低原材料成本、梯級利用和資源綜合利用、模塊化設計與縱向一體化等手段來降低電池生產成本。

1 劉大亮，劉亞飛，陳彥彬，等.高能量密度鋰離子電池正極材料的發展趨勢[J].新材料產業，2014，11（1）：41-45．

2 胡棋威，彭元亭，李文斌.鋰離子電池成組安全技術研究進展[J].船電技術，2015，35（5）：35-39．