加拿大高校聯(lián)合特斯拉研發(fā)低壓超長壽命電池 在二十五攝氏度條件下最高可使用一百年

面對高油價和新能源汽車帶來的高性能的駕駛體驗，人們開始逐漸接受新能源汽車。同時，新能源汽車的快速普及也得益于近年來鋰電技術(shù)的快速發(fā)展。

LiMO2（其中M通常是Ni、Mn和Co的混合物）和LiMPO4（其中M通常是Fe），這兩種材料是鋰離子電池中最常用的兩種正極材料類型，它們分別構(gòu)成了三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，一般簡稱為NMC電池和LFP電池。

這兩種電池在使用時，在影響電池單元的特性和性能方面上往往是截然相反的。因此，使用不同電池技術(shù)的汽車制造商都會重點介紹其所選用電池的優(yōu)點。那么，這兩種電池之間到底有怎樣的區(qū)別呢？

對于NMC電池來說，正電極通常具有高能量和高比容量，在更高的電壓下工作會導(dǎo)致更多的氧化條件，影響其工作壽命。并且，高電壓還會導(dǎo)致帶電狀態(tài)下的穩(wěn)定性和安全問題。

因為在高電壓條件下，NMC電池的正電極的一些可能的失效模式，包括不可逆相變，電解質(zhì)氧化和粒子開裂可能會發(fā)生。相反地，LFP電池因為具有更小的比容量、體積容量以及較低的工作電壓，因此與NMC電池相比更加穩(wěn)定和安全。

在傳統(tǒng)NMC電池中為了使NMC電池的工作電壓保持在4.2伏以上，負電極將會保留足夠的石墨來維持此電壓，這使得正極中存在未被利用的鋰離子而降低電池使用壽命。如果在這種配置中降低電池的充電電壓，則會導(dǎo)致石墨未被利用而剩余。有研究已經(jīng)表明，在2.5伏～3.78伏之間運行的電池被證明比在2.5伏～4.2伏之間運行在使用壽命方面更具優(yōu)勢。

大多數(shù)電池制造商都專注于建立使用當(dāng)前成熟的電池技術(shù)，而來自加拿大達爾豪斯大學(xué)的著名科學(xué)家和研究員杰夫·達恩則更關(guān)注未來5年、10年或15年世界將需要的電池。

2019年，達恩教授等學(xué)者首次提出EV電池在需要更換之前可能持續(xù)使用160萬公里。達恩教授也與特斯拉在電池研發(fā)方面保持著密切的合作。2015年，特斯拉與達恩教授團隊簽訂了5年的研究合作伙伴合同，并且特斯拉在其研究團隊的幫助下，獲得了很多電池技術(shù)上的突破。

2021年，雙方進行了五年的合同續(xù)約，繼續(xù)在鋰電技術(shù)研發(fā)上進行保持合作伙伴關(guān)系。多年來，該課題組一直保持與特斯拉合作從事電池的研究，為電動汽車和能源儲存帶來更持久、更快充電、更便宜的電池。

最近，達恩教授課題組與特斯拉合作，針對新型三元鋰電池進行研究。相關(guān)論文以《Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2實現(xiàn)長壽命低壓鋰離子電池可作為LiFePO4的優(yōu)越替代品》為題發(fā)表，該成果證明可長時間使用高達100年的電池是可能的。

這是一個里程碑式的研究成果，將會引領(lǐng)更多的科研人員對長壽命電池展開相關(guān)的研究。該工作通過詳細介紹如何使NMC電池單元的性能平衡到低于傳統(tǒng)電壓的操作，并與LFP電池單元進行比較，在兩種電池單元類型中實現(xiàn)了相似的正極電壓和全負極利用。并證明了在較低電壓工作條件下，NMC電池被認為是一種優(yōu)于LFP電池更好的替代品，可以應(yīng)用于一些通常只能針對含LFP電池的場景中。

研究人員通過對傳統(tǒng)NMC電池進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過制備單晶Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2的正極材料的電池（簡稱為NMC532電池），使其可在較低的3.8伏電壓以下運行。同時，電池的性能參數(shù)例如庫倫效率、容量衰減和能量密度在低壓條件下都優(yōu)于傳統(tǒng)電池。

對比不同電池組合下的放電容量和平均充放電電壓

經(jīng)過計算，該新型電池可以在25攝氏度時的使用壽命最高將接近100年。經(jīng)過實驗證明，NMC532的能量密度超過LFP電池，并且在40攝氏度、55攝氏度以及70攝氏度溫度下的循環(huán)壽命大幅度超過LFP電池。

并且，在NMC電池的設(shè)計中使用的電解質(zhì)為雙氟磺酰亞胺鋰鹽，通過圖片（上圖）證明了該電解質(zhì)在高溫下的使用壽命，遠遠超過傳統(tǒng)電池中使用的六氟磷酸鋰鹽。

LFP電池和NMC532電池的近似堆棧能量密度示意圖

圖片顯示了在該研究中，LFP和NMC532電池的堆棧能量密度示意圖?？梢钥吹?，盡管充電電壓只有3.8伏，但是NMC532電池所產(chǎn)生的堆棧能量密度為495Wh/L。如果將LFP電池單元的堆棧能量密度增加約3%時可以接近440Wh/L,但該數(shù)值仍然小于NMC532電池。

除了比LFP電池更長的壽命外，在該項技術(shù)中所使用到的低電壓工作的NMC電池，為改進未來鋰電的發(fā)展和使用它們的相關(guān)設(shè)備提供了許多機會。例如加快充電速度，因為低粘度溶劑如乙酸甲酯和乙酸乙酯可以使快速充電的液體電解質(zhì)具有更好的電化學(xué)相容性，但因為氧化穩(wěn)定性較低，無法在高電壓下運行。

而NMC532電池在低電壓下的運行避免了相當(dāng)大的氧化應(yīng)激。同時，因為NMC532電池可以在低電壓運行，因此使混合型LFP+NMC正電極成為可能。NMC 532和LFP電池中所包含的負電極材料基本上是相同的，同一低電壓下的兩種正電極材料的協(xié)同工作為未來結(jié)合兩種材料優(yōu)勢的新型電池提供了可能。

那么，特斯拉將來什么時候會把該項技術(shù)投入到實際量產(chǎn)車呢？研究人員表示，可能還需要很久。因為目前來說，他們的新電池成本比LFP電池更高，并且可能不具備電動汽車所需的功率特性。

但該項技術(shù)可能非常適合長期儲能，因為這樣新電池技術(shù)所需的較高成本將被延長的使用壽命所抵消。但是，隨著該論文的發(fā)表，以這項技術(shù)為基礎(chǔ)的后續(xù)研究將帶來更多可能。畢竟新能源汽車不論是經(jīng)濟性、舒適性還是環(huán)保角度都是最優(yōu)的選擇，巨大的市場將會刺激技術(shù)的快速研發(fā)。

總體而言，低電壓工作的NMC532電池的使用壽命和能量密度都是優(yōu)于LFP電池。如果考慮LFP電池的能量密度不足、使用壽命較低這些因素時，該技術(shù)所體現(xiàn)的優(yōu)點就應(yīng)該值得重視。當(dāng)然，這并不能認為LFP電池應(yīng)該被淘汰，因為控制成本和高安全性的因素是不能被忽略的。