遠(yuǎn)有固態(tài)，近有無(wú)鈷，下一代動(dòng)力電池有哪些新突破？
動(dòng)力電池被譽(yù)為新能源汽車的“心臟”，技術(shù)突破將對(duì)電動(dòng)汽車的性能提升產(chǎn)生決定性影響，也是電動(dòng)汽車推廣普及的關(guān)鍵?，F(xiàn)在新能源汽車處于加速發(fā)展階段，目前低成本車型以磷酸鐵鋰為主，高性能車以三元電池為主，一部分高端車型也采用了磷酸鐵鋰技術(shù)路線。
對(duì)于電池的要求，如何能做到讓純電動(dòng)車和燃油車可以形成性能和經(jīng)濟(jì)性的競(jìng)爭(zhēng)，一直是電化學(xué)行業(yè)努力的方向，能量密度、功率密度、安全性、循環(huán)壽命、環(huán)境適應(yīng)性、成本等都是設(shè)計(jì)研發(fā)考量的因素。
在中國(guó)的四個(gè)國(guó)家級(jí)計(jì)劃中，涉及到動(dòng)力電池領(lǐng)域的目標(biāo)分成三個(gè)層次：一個(gè)是高比能鋰離子電池做到300Wh/kg，下一代鋰離子電池希望做到400Wh/kg，新體系電池做到500Wh/kg，涉及到系統(tǒng)集成，還有固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。
腳踏實(shí)地的展望下一代動(dòng)力電池技術(shù)路線，遠(yuǎn)有固態(tài)，近有無(wú)鈷，這些先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化之路該如何走？又走到了哪一步？在中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)第三屆全球新能源與智能汽車供應(yīng)鏈創(chuàng)新大會(huì)上，產(chǎn)學(xué)研專家從各自的角度研判了動(dòng)力電池的技術(shù)現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)。
升鎳？降鎳？
電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步速度很快，首先要搞清什么是下一代動(dòng)力電池。
中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)黃學(xué)杰是這樣回答的：2010年的錳酸鋰是第一代電池，日產(chǎn)聆風(fēng)當(dāng)初搭載的就是這種電池，續(xù)航里程在200公里左右，十年后的今天，大家買電動(dòng)車必然會(huì)問到是三元還是鐵鋰，這就是第二代電池，續(xù)航里程比第一代增加了一倍多。下一代電池已經(jīng)走到了第三代，而更遠(yuǎn)期的目標(biāo)則指向了全固態(tài)電池。
每一代電池都是以正極材料來(lái)劃分，從第一代走向第二代，帶來(lái)了里程的加倍提升，從約200公里到了約500公里，從第二代到第三代，里程上又有了大約50%的提升，更重要的是成本也下降了50%左右。目前，磷酸鐵鋰電池的能量密度基本做到了170Wh/kg以上，三元材料的能量密度基本在200-260Wh/kg。
雖然這些年三元材料的變化花樣最多，但降鈷已是明確趨勢(shì)，降鎳和升鎳成為兩個(gè)技術(shù)方向。
黃學(xué)杰指出，關(guān)于降鎳的方向，關(guān)鍵材料是鎳錳酸鋰，第一代材料是錳酸鋰，一樣的結(jié)構(gòu)中把1/4的錳換成鎳以后，這個(gè)材料做成的電池電壓就提高了，跟石墨配對(duì)，電池電壓在4.5V之上。磷酸鐵鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓是3.2V，三元電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓是3.6V，鎳錳酸鋰的標(biāo)準(zhǔn)電壓能到4.5V，能量密度也就有了優(yōu)勢(shì)。
因此，鎳錳酸鋰有機(jī)會(huì)得到更高的能量密度，更高的倍率性能，特別是低溫下的高倍率性能，更好的成本，同時(shí)也更安全，但壽命是個(gè)難題，近20年來(lái)研究人員一直在努力，發(fā)現(xiàn)碳酸酯的電解液可以解決其壽命問題，用負(fù)極石墨，用銅作集流體，能夠做得比三元材料壽命還好，即使是在高溫下也仍然有很好的循環(huán)壽命，常溫下更不必說(shuō)。
如此一來(lái)，鎳錳酸鋰的優(yōu)點(diǎn)就很明顯了，如果把磷酸鐵鋰電池做一下改進(jìn)：負(fù)極不改變，電解液基本不改變，外殼也不變，僅僅改變的是正極材料。鎳錳酸鋰的密度比較高，同樣能做到100Ah，但是電壓提升了40.6%，單位體積能量提升了40%，成本上每一瓦時(shí)反而有20%的降低。這就是去鈷降鎳的的效果。
還有一個(gè)技術(shù)路徑是升鎳，這是高容量三元正極材料的升級(jí)方向。
如果把鎳的容量增加很多，能量密度可以繼續(xù)提升，但問題是如何讓高鎳保證很好的壽命和穩(wěn)定性。升鎳的極限是做到全鎳，把鈷完全去掉，鎳酸鋰就成為一個(gè)重要方向，這種高能量密度電池就是三元鋰電池的升級(jí)版。
第三代電池如果走向鎳酸鋰，三元的能量密度大概能提升40%，結(jié)合負(fù)極材料，從今天的不到700提升到1000Wh/L。
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所研究員肖成偉認(rèn)為，磷酸鐵鋰系電池還會(huì)有進(jìn)一步的技術(shù)提升?，F(xiàn)在能量密度有的企業(yè)能夠做到200Wh/kg，下一步希望做到230Wh/kg以上的水平；高鎳低鈷電池希望做到300Wh/kg；富鋰錳基類電池，在降鈷降鎳的同時(shí)提錳，也有非常好的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)在也是研究的熱點(diǎn)，很多企業(yè)也在開發(fā)無(wú)鈷的尖晶石鎳錳酸鋰研究。
從產(chǎn)業(yè)化角度，中航鋰電乘用車事業(yè)總經(jīng)理謝秋也認(rèn)為，鎳錳酸鋰是下一代正極材料的候選，通過計(jì)算，現(xiàn)在的五系、六系的三元材料，鋰只用了70%，其他30%不參與充放電，是一種資源的巨大浪費(fèi)。鎳錳酸鋰參與反應(yīng)的鋰可以達(dá)到95%的水平，跟磷酸鐵鋰的利用率差不多，但是鎳錳酸鋰這種尖晶石結(jié)構(gòu)的能量密度又會(huì)高很多。因此，低鎳高錳從成本和資源的角度，是下一代電池材料的候選。
SK新能源中國(guó)事業(yè)總經(jīng)理張煒介紹，作為全球最早生產(chǎn)811高鎳電池的企業(yè)之一，SK新能源的電芯能量密度能夠達(dá)到280-290Wh/kg左右，下一步正在準(zhǔn)備生產(chǎn)“9半半電池”，計(jì)劃明年全球量產(chǎn)，能量密度目前比811的電池有所提升。
下下一代：全固態(tài)電池
再往遠(yuǎn)一點(diǎn)的技術(shù)路線，就是革命性的全固態(tài)電池，這也是各路英雄好漢的必爭(zhēng)之地，希望通過原理創(chuàng)新做出全固態(tài)電池，為下下一代600Wh/kg的能量密度而努力。
肖成偉表示，固態(tài)電池的進(jìn)展很快，高鎳三元材料做的固液混合電池，液體轉(zhuǎn)換到固態(tài)電池里，作為一個(gè)過渡技術(shù)和產(chǎn)品也有非常好的發(fā)展前景。 現(xiàn)在開發(fā)的固液混合鋰離子電池，能量密度300Wh/kg，500次循環(huán)之后，能量密度保持98%的水平，體現(xiàn)出比較好的性能指標(biāo)。
全固態(tài)電池從基礎(chǔ)研究的角度，現(xiàn)在所列指標(biāo)都是實(shí)驗(yàn)室達(dá)到的水平，還需要從高循環(huán)性的鋰負(fù)極，包括鈷界面反應(yīng)等方面做深入的工作。
固態(tài)電池最大的問題是界面導(dǎo)電差，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員李泓介紹，固態(tài)電池的難點(diǎn)是在膨脹過程中，固態(tài)電解質(zhì)怎么能與正負(fù)極顆粒保持很好的接觸，最好的狀態(tài)是原子級(jí)別。他的團(tuán)隊(duì)采取的方法是基于原位固態(tài)化的混合固液電解質(zhì)及全固態(tài)電解質(zhì)電池，通過注液保持良好的電解質(zhì)與電極材料的物理接觸，之后通過化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)將液體電解質(zhì)部分或全部轉(zhuǎn)換為固體電解質(zhì)，綜合平衡高電壓、安全性、鋰枝晶、體積膨脹、接觸內(nèi)阻等問題解決。
據(jù)李泓透露，中國(guó)這幾家固態(tài)電池企業(yè)，都可能在明年底量產(chǎn)，大約都會(huì)提出GWh級(jí)的量產(chǎn)目標(biāo)。
總而言之，高比能、高安全、長(zhǎng)壽命、低成本、高環(huán)境適應(yīng)性是動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的諸多考量因素。新體系電池、全固態(tài)電池、鈷材料電池、高壓安全、固液混合鋰電池，與安全壽命相關(guān)的大數(shù)據(jù)分析和測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)等，都是現(xiàn)在和未來(lái)一段時(shí)間大家關(guān)注的焦點(diǎn)和整個(gè)投入的重點(diǎn)。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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