長壽命動力鋰離子電池關鍵技術研究

李師

摘 要：作為未來很長時間內汽車行業的發展方向，新能源汽車在最近幾年得到了飛速發展，動力電池是新能源汽車的動力源泉，而在對動力電力進行研究的過程中，長壽命動力鋰離子電池是研究的重點。本文從我國動力鋰離子電池的研究現狀出發，就其關鍵技術進行了分析和討論，希望能夠為長壽命動力鋰離子電池的研究提供一些參考。

關鍵詞：長壽命;動力;鋰離子電池;關鍵技術

1 引言

21世紀，新能源技術和可再生能源技術是備受矚目的高新技術產業，其中電化學電源體系的主要發展方向為大容量、長壽命和高比能。鋰離子電池作為一種新的化學電源體系，屬于現階段所有使用電池中較為常見的一種，具有較高的比能和良好的兼容性，使用壽命也更長，已經在電動車領域得到了廣泛應用，有逐步取代鉛酸電池的趨勢。不過如果想要將其應用到純電動汽車中，還需要對一些關鍵性技術進行解決。

2 動力鋰離子電池技術研究現狀

在不斷的發展過程中，我國動力鋰離子電池產業實現了從無到有、從小到大的快速發展，相關研究項目一直都是國家高技術研究發展計劃（863計劃）的重點，而且電池生產的大部分材料都已經實現了國產化。依靠相應的產業投資，我國已經自主建成了多條鋰離子電池生產線，能夠實現大規模標準化生產。從目前來看，國內對于動力鋰離子電池的研究主要集中在磷酸鐵鋰電池方面，而能夠實現規模化生產的企業中，比亞迪處于領先地位，其推出的混合動力汽車F3DM和純電動汽車E6搭載了自主研發的動力鋰電池，市場響應良好。

從整體上分析，我國在動力鋰離子電池技術的研究方面雖然取得了一定成果，但是與國際領先水平依然相距甚遠，而且也存在一些比較明顯的問題，如投資過熱、產能過剩、核心技術欠缺等，并不能很好的滿足電動汽車市場的高端需求[1]。從產業鏈的角度分析，動力鋰離子電池產業鏈包括了上游金屬資源、中上游電芯材料、中游電芯制造及電池組封裝，下游新能源汽車應用等。我國鋰礦資源的儲量不高，而且因為伴生礦的大量存在，鋰元素的提取技術難度大，成本偏高，在產業鏈上游的競爭中就已經處于劣勢，動力鋰離子電池生產中，主要的礦石資源鋰輝石主要依賴進口，會在一定程度上受出口國的制約。相比較而言，我國豐富的勞動力使得位于產業鏈中游的電芯制造呈現出了強勁的發展態勢，全國各地的大中型鋰電生產企業主要就是依賴電芯加工制造業務。

3 長壽命動力鋰離子電池關鍵技術

鋰離子電池的工作原理簡單，但是生產難度并不小，因為在生產過程中需要考慮的問題很多，如充放電過程中電池正負極材料的結構穩定性、正極材料的電導性以及負極材料的分子結構等，而填充在電池正極和負極之間的電解液同樣必須具備較好的導電性和穩定性，隔膜則應該具有穩定的鋰離子通過性能和電絕緣性能，因此，長壽命動力鋰離子電池的關鍵技術同樣體現在上述幾個方面：

3.1 正極材料

在動力鋰離子電池的研究中，正極材料的選擇可以說是技術人員需要面臨的最大難題，雖然在不斷的發展過程中，鋰離子電池的正極材料越發豐富，存在鈷酸鋰（LCO）、鎳鈷錳酸鋰（NMC）、磷酸鐵鋰（LFP）等多種可供選擇的材料，但是其各自所具備的優勢和劣勢往往令研究人員難以抉擇。這里就兩種比較常用的正極材料進行簡單分析[2]。

3.1.1 磷酸鐵鋰

我國動力鋰離子電池的發展以磷酸鐵鋰為主，鈷酸鋰和錳酸鋰都屬于輔助材料，以比亞迪公司為例，其生產的動力鋰離子電池就是采用磷酸鐵鋰作為正極材料。而從研究進展分析，磷酸鐵鋰電池本身具備較高的電位，安全性和循環性能優越，原材料豐富且價格低廉，基本不會產生環境污染問題，不過其本身于常溫條件下的電子導電率以及離子擴散系數低，因此實用化進程相對緩慢。國內以磷酸鐵鋰為主要研究對象的企業包括了比亞迪、北大先行等企業，部分企業已經開始實現規模化生產。而從發展趨勢分析，磷酸鐵鋰雖然是當前動力鋰離子電池的主流正極材料，但是因為其本身能量密度的提升空間相對有限，已經開始呈現出發展疲態，與之相比，具備更大能量密度提升空間的NMC材料開始受到企業和研究人員的關注，一些日韓汽車企業在電動汽車中，通常都會使用錳系鋰和NMC材料來制作動力電池。

3.1.2 鎳鈷錳酸鋰

鎳鈷錳酸鋰也就是上文提到的NMC，也稱三元材料，比較常見的包括LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等，在三元材料的研究和應用領域，日本與韓國處于世界領先水平，雖然三元材料的核心專利掌握在美國的3M公司手中，但是至少從目前來看，日本能夠提供全球最好的三元材料[3]。在國內動力鋰離子電池的研究和生產領域，主要企業包括比亞迪、北大先行、新鄉中科、寧波金和等，不過其多數研究都集中在磷酸鐵鋰和錳酸鋰方面，掌握三元材料技術較早的企業，是深圳天驕科技公司。

3.2 負極材料

動力鋰離子電池的負極材料同樣有很多選擇，主要是硅基負極材料，包括Si/C復合材料、Si/SiO2/C復合材料等，還包含了對于Si/SiO2/C材料的含鋰化合物裝飾、Ag表面裝飾以及綜合性能優化等。相比較傳統材料，動力鋰離子電池中的新型硅基負極材料具備更加優越的性能，以Si/C材料為例，其放電比容量能夠達到811.4mAh/g，首次充電和放電的效率超過了86.8%，100% DOD循環100周，性能表現依然良好，100次循環充放電后，負極材料的可逆比容量依然能夠達到616.7mAh/g，容量保持率接近76%。

3.3 隔膜材料

動力電池中的隔膜材料大致可以分為兩類，一是聚合物隔膜，在實際應用中以微孔聚烯烴隔膜位置，能夠在較為合理的成本范圍內，提供更加優越的化學穩定性和機械性能，其本身所具備的高溫自閉特性也可以保證電池使用的安全性[4];二是無紡布隔膜，包括玻璃纖維隔膜、陶瓷纖維紙以及合成纖維隔膜等。當前技術條件下，隔膜材料的主流產品主要有美國Celgard、日本旭化等提供，比較有代表性的包括雙向拉伸后的聚乙烯、聚丙烯微孔薄膜和聚乙烯-聚丙烯-聚乙烯三層微孔復合隔膜，隔膜的厚度在25-40μm之間，孔隙率40%。隔膜的性能會對動力電池的容量、安全性和循環次數等產生直接影響，必須得到足夠的重視。現階段，對于隔膜材料的研究主要體現在幾個方面，一是通過對隔膜參數的控制，改善隔膜的強度和滲透性，促進電池容量提高的同時，也能夠對其循環性能進行優化，提高電池的使用壽命;二是通過混合方法制備出隔膜材料，隔膜的強度更高，電池整體的安全性更好;三是在隔膜制備環節，摻入相應的無機顆粒，以此來改善電池循環性能，保證電池使用安全;四是構建多層隔膜提升其耐熱性，預防電池短路問題;五是利用共嵌的方式制作隔膜，同樣可以提升隔膜耐熱性和滲透性，有效預防電池短路。對比正負極材料，隔膜材料的國產化率最低，技術壁壘也最高，直至2015年，中國雖然能夠自主完成隔膜產品的生產，但是高端產品依然需要進口，雖然有部分企業已經在相關技術層面取得了突破，但是從總體上看，隔膜材料依然處于低端產能過剩，高端產品依賴進口的狀況[5]。

4 結語

總而言之，可持續發展背景下，新能源汽車迅速興起，并且成為了世界各國研究的重點項目。動力鋰離子電池作為電動汽車的心臟，其技術的發展直接決定了電動汽車的整體性能，與一些發達國家相比，我國在動力鋰離子電池技術的研究方面相對落后，不過發展勢頭強勁，政府部門應該做好扶持，出臺相應的優惠政策，對市場進行規范，以此來為國內長壽命鋰離子電池的發展提供良好保障。

參考文獻：

[1]陸順，羅寶權.淺議廢舊動力鋰離子電池的回收辦法[J].新材料產業，2018，（10）：43-47.

[2]劉興江，許寒，宗軍.動力鋰離子電池新材料及體系關鍵技術研究[J].中國科技成果，2016，（23）：77-78.

[3]葛瑞，李云揚.鋰離子動力電池熱管理系統的關鍵技術[J].電源世界，2017，（12）：41-47.

[4]楊道均.高電壓鋰離子電池關鍵材料的開發及界面膜的優化研究[D].北京科技大學，2017.

[5]王毅，馬新寨，謝明樹，陳志雪，姚建英，張彥杰，畢錫鋼.動力鋰離子電池技術發展分析[J].電池工業，2014，19（04）：197-202.