鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1805次 | 2018年07月05日
十大值得期待的鋰電池新材料
三元材料、富鋰錳基材料、高電壓電解液材料、硅碳負(fù)極材料、石墨烯、CNTs以及一些安全輔料的應(yīng)用將是最近幾年的的一個(gè)熱點(diǎn)。材料沒(méi)有絕對(duì)的好與壞之分，主要看不同材料體系之間是不是匹配，是否有相關(guān)配套的工藝來(lái)支撐。在本文中，小編匯總了未來(lái)幾年里值得期待的十大鋰電材料。
1、鎳鈷錳三元材料
從政策角度看，政策推動(dòng)行業(yè)升級(jí)，三元路線(xiàn)最有前景：1、政策要求到2020年動(dòng)力電池單體比能量超過(guò)300Wh/kg，系統(tǒng)比能量力爭(zhēng)達(dá)到260Wh/kg，到2025年，單體比能量達(dá)500Wh/kg；2、新的財(cái)政補(bǔ)貼方案正式實(shí)施，規(guī)定乘用車(chē)能量密度高于120Wh/kg的按1.1倍給予補(bǔ)貼，能量密度成為補(bǔ)貼數(shù)額的重要考量依據(jù)；3、積分制對(duì)電耗和續(xù)航里程不同的車(chē)型采用不同積分，純電乘用車(chē)與燃料電池乘用車(chē)的積分均隨續(xù)航里程的不同而有所區(qū)別。目前來(lái)看，三元材料作為性?xún)r(jià)比高、最有潛力達(dá)到市場(chǎng)需求與政策要求的技術(shù)路線(xiàn)擁有很大的發(fā)展前景。
從市場(chǎng)角度看，國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池路線(xiàn)曾以磷酸鐵鋰為主，磷酸鐵鋰雖然安全性高，但其能量密度偏低軟肋無(wú)法克服，而新能源汽車(chē)要求更長(zhǎng)的續(xù)航里程。因此長(zhǎng)期來(lái)看，克容量更高的鎳鈷錳三元材料材料將取代磷酸鐵鋰成為下一代主流技術(shù)路線(xiàn)。加上特斯拉火爆全球的背景下，市場(chǎng)上眾多電池廠(chǎng)商也加速布局三元材料，如格林美、科恒股份、天原集團(tuán)等。
格林美在2017年11月發(fā)布公告稱(chēng)，為構(gòu)建具有世界競(jìng)爭(zhēng)力的從三元原料到三元材料的全產(chǎn)業(yè)鏈制造體系，荊門(mén)格林美與邦普循環(huán)、長(zhǎng)江晨道、寧波超興，一致同意共同出資成立合營(yíng)公司，并于2017年11月6日簽署了《合資經(jīng)營(yíng)協(xié)議書(shū)》。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2017年7月，科恒股份在英德投建的3000噸/年三元材料基地正式開(kāi)工，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量300噸/月，產(chǎn)品均為動(dòng)力523和622型三元材料；同時(shí)江門(mén)基地可實(shí)現(xiàn)500噸/月的產(chǎn)量，預(yù)計(jì)兩個(gè)基地可為科恒股份帶來(lái)800噸/月的鋰電正極材料產(chǎn)量。
2017年4月，宜賓天原集團(tuán)股份有限公司與國(guó)光電器股份有限公司簽訂了戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，雙方擬通過(guò)股權(quán)投資等多種方式的合作，在宜賓投資建設(shè)三元正極材料前驅(qū)體項(xiàng)目和三元正極材料項(xiàng)目的合作。
編輯視點(diǎn)
在政策和市場(chǎng)雙重作用下，推動(dòng)了三元鋰電的大發(fā)展。長(zhǎng)期來(lái)看新能源汽車(chē)從1到10的發(fā)展，處于最佳成長(zhǎng)期。從政策看，政策助力推動(dòng)新能源汽車(chē)發(fā)展。目前補(bǔ)貼退坡趨勢(shì)緊逼，同時(shí)新能源汽車(chē)積分辦法即將落地，能量密度成為獲得補(bǔ)貼具體數(shù)額以及獲得新能源乘用車(chē)積分的重要考量依據(jù)。從市場(chǎng)角度看，市場(chǎng)對(duì)續(xù)航里程高的汽車(chē)需求加大，且產(chǎn)業(yè)發(fā)展到當(dāng)下階段，需要技術(shù)進(jìn)步和更高品質(zhì)來(lái)推動(dòng)行業(yè)升級(jí)。
2、高鎳三元材料
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
前文介紹到的三元材料鎳鈷錳，他們具有高比容量、長(zhǎng)循環(huán)壽命、低毒和廉價(jià)的特點(diǎn)，此外，三種元素之間具有良好的協(xié)同效應(yīng)，因此受到了廣泛的應(yīng)用。用于鋰電池正極材料，在氧化還原儲(chǔ)能中，鎳是主要的成分，通過(guò)提高材料中鎳的含量以有效提高材料的比容量，是三元材料再往前邁進(jìn)的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，將高鎳三元材料單獨(dú)出來(lái)進(jìn)行詳細(xì)分析。
一般來(lái)說(shuō)，高鎳的三元正極材料是指材料中鎳的摩爾分?jǐn)?shù)大于0.6的材料，這樣的三元材料具有高比容量和低成本的特點(diǎn)，但也存在容量保持率低，熱穩(wěn)定性能差等缺陷。
通過(guò)制備工藝的改進(jìn)可以有效改善材料性能。顆粒的微納尺寸以及形貌結(jié)構(gòu)，在很大程度上決定著高鎳三元正極材料的性能。因此目前主要的制備方法是將將不同原料均勻分散，通過(guò)不同生長(zhǎng)機(jī)制，得到比表面積大的納米球形顆粒。
在高鎳三元材料方面投入的企業(yè)有BSAF、CATL、國(guó)軒高科、力神等大型動(dòng)力電池企業(yè)。BSAF通過(guò)增加Ni含量以及提高充電的截止電壓都能達(dá)到提升電池能量密度的目的。
而2017年以來(lái)上游的原材料企業(yè)也有大規(guī)模布局：
2017年1月，廈門(mén)鎢業(yè)由全資子公司廈鎢新能源與閩東電力合資成立寧德廈鎢新能源，共同投資建設(shè)年產(chǎn)2萬(wàn)噸的車(chē)用電池三元材料生產(chǎn)線(xiàn)，主要生產(chǎn)銷(xiāo)售高鎳三元材料。
2017年3月，當(dāng)升科技在接受投資機(jī)構(gòu)調(diào)研時(shí)表示，公司2017年計(jì)劃新增4000噸的高鎳動(dòng)力多元材料產(chǎn)能。目前高鎳動(dòng)力材料NCM811已經(jīng)完成中試階段，2018年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
2017年3月16日，杉杉能源年產(chǎn)5000噸三元811交鑰匙工程產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)在寧夏石嘴山基地全面啟動(dòng)。杉杉能源表示，在成功實(shí)現(xiàn)三元622量產(chǎn)的同時(shí)，811、NCA及部分高鎳材料也基本完成中試評(píng)估，具備了產(chǎn)業(yè)化的必要條件。
編輯視點(diǎn)
眾所周知，三元正極材料的高鎳低鈷化在提升電池能量密度、降低材料成本等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但安全性和穩(wěn)定性問(wèn)題卻較為突出。三元材料中的鎳含量越高，材料的穩(wěn)定性越差，安全性越差。而為了在保持其高比能量的同時(shí)，兼顧循環(huán)壽命和安全性，國(guó)內(nèi)材料和電池企業(yè)可謂是苦心孤詣，其安全問(wèn)題仍在持續(xù)解決中。目前，高鎳三元材料的安全性主要通過(guò)材料改性?xún)?yōu)化、表面包覆、調(diào)整電解液和負(fù)極材料等方式來(lái)逐步解決。相信，這問(wèn)題隨著時(shí)間推移，研究深入，終將解決，因此，小編看好高鎳三元材料的未來(lái)前景。
3、富鋰錳基材料
高容量是鋰電池的發(fā)展方向之一，但當(dāng)前的正極材料中磷酸鐵鋰的能量密度為580Wh/kg，鎳鈷錳酸鋰的能量密度為750Wh/kg，富鋰錳基的理論能量密度可達(dá)到900Wh/kg，未來(lái)潛力很大。
富鋰錳基作為正極材料的優(yōu)勢(shì)有：1、能量密度高；2、主要原材料豐富。雖然富鋰錳基正極材料具有放電比容量的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但要將其實(shí)際應(yīng)用于動(dòng)力鋰電池，必須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題：一是降低首次不可逆容量損失；二是提高倍率性能和循環(huán)壽命；三是抑制循環(huán)過(guò)程的電壓衰減。
在國(guó)內(nèi)，產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)壁壘太高，因此企業(yè)對(duì)富鋰錳基的研究幾乎沒(méi)有。只有相關(guān)科研機(jī)構(gòu)在做些嘗試。寧波材料所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直致力于富鋰錳基正極材料的研究開(kāi)發(fā)，在制備方法、組分優(yōu)化、充放電機(jī)理和表面改性等方面做了系列有意義的研究工作。
此前，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新穎的氣固界面改性方法，讓富鋰錳基正極材料顆粒表面形成均勻氧空位，從而大大提高了該材料的首次充放電效率、放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。
目前解決這些問(wèn)題的手段有包覆、酸處理、摻雜、預(yù)循環(huán)、熱處理等。富鋰錳基雖然克容量?jī)?yōu)勢(shì)明顯，潛力巨大，但目前限于技術(shù)進(jìn)展較慢，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化仍有更長(zhǎng)的路要走。
編輯視點(diǎn)
在鋰離子電池方面，一個(gè)新材料的出現(xiàn)走向?qū)嶋H產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中，充滿(mǎn)了無(wú)數(shù)艱辛和微小的技術(shù)進(jìn)步積累。經(jīng)過(guò)十幾年或者幾十年的量變積累，最終才能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破。對(duì)現(xiàn)有材料的進(jìn)一步改進(jìn)和新材料的探索，仍然是鋰電正極材料研發(fā)的基本方向。富鋰錳基正極材料的出現(xiàn)，讓人們認(rèn)識(shí)到了比三元材料理論能量密度更高的存在。不過(guò)，就像當(dāng)初剛出來(lái)不久的三元材料一樣，富鋰錳基正極材料還在科研探索階段，但它仍是值得期待的新材料之一。
4、硅碳復(fù)合負(fù)極材料
硅在常溫下可與鋰合金化，生成Li15Si4相，理論比容量高達(dá)3572mAh/g，遠(yuǎn)高于商業(yè)化石墨理論比容量(372mAh/g)，在地殼元素中儲(chǔ)量豐富高達(dá)26.4%，因而硅負(fù)極材料一直備受關(guān)注，是非常值得期待的下一代鋰離子電池負(fù)極材料之一。
然而，硅在充放電過(guò)程中存在高達(dá)3倍的體積膨脹，嚴(yán)重的體積效應(yīng)及較低的電導(dǎo)率限制了硅負(fù)極技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。為克服這些缺陷，研究者們采用復(fù)合化技術(shù)，利用“緩沖骨架”補(bǔ)償材料膨脹。
碳質(zhì)負(fù)極材料在充放電過(guò)程中體積變化較小，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性能，而且碳質(zhì)負(fù)極材料本身是離子與電子的混合導(dǎo)體；另外，硅與碳化學(xué)性質(zhì)相近，二者能緊密結(jié)合，因此碳常用作與硅復(fù)合的首選基質(zhì)。
在硅碳復(fù)合體系中，硅顆粒作為活性物質(zhì)，提供儲(chǔ)鋰容量；碳既能緩沖充放電過(guò)程中硅負(fù)極的體積變化，又能改善硅質(zhì)材料的導(dǎo)電性，還能避免硅顆粒在充放電循環(huán)中發(fā)生團(tuán)聚。因此硅碳復(fù)合材料綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出高比容量和較長(zhǎng)循環(huán)壽命，有望代替石墨成為新一代鋰離子電池負(fù)極材料。
從硅碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)出發(fā)，可將目前研究的硅碳復(fù)合材料分為包覆結(jié)構(gòu)和嵌入結(jié)構(gòu)。
從碳材料的種類(lèi)選擇出發(fā)，可以分為石墨、碳納米管/納米纖維、石墨烯等。碳納米管/納米纖維(CNT/CNF)得益于其高長(zhǎng)寬比的優(yōu)勢(shì)，與硅復(fù)合后，利用其導(dǎo)電性及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以構(gòu)建連續(xù)的電子傳遞網(wǎng)絡(luò)，緩解循環(huán)過(guò)程中硅的體積變化，抑制顆粒團(tuán)聚，從而提高硅基負(fù)極材料的電化學(xué)性能。石墨烯有優(yōu)異的導(dǎo)電性、高比表面積和良好的柔韌性等特點(diǎn)。
近年來(lái)，硅碳負(fù)極材料相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，迄今已有少量產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，日本日立集團(tuán)Maxell公司已開(kāi)發(fā)出一種以“SiO-C”材料為負(fù)極的新式鋰電池，并成功地應(yīng)用到諸如智能手機(jī)等商業(yè)化產(chǎn)品中。
而國(guó)內(nèi)負(fù)極材料企業(yè)研發(fā)硅基材料的情況是：大部分材料商都還處于研發(fā)階段，目前只有上海杉杉已進(jìn)入中試量產(chǎn)階段。
編輯視點(diǎn)
硅是目前發(fā)現(xiàn)的理論比容量最高的負(fù)極材料，但它自身的缺陷也限制了它直接的應(yīng)用，材料基礎(chǔ)研究的好處就在于可以嘗試不同的材料與其匹配。碳族元素材質(zhì)的多樣化選擇為硅的研究取得突破。硅碳負(fù)極復(fù)合材料或?qū)?shí)現(xiàn)硅的“第一個(gè)吃螃蟹”。盡管硅碳負(fù)極鋰離子電池距離真正大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍有大量科學(xué)問(wèn)題亟需解決，但驚人的理論比容量和豐富的儲(chǔ)量，吸引了許多企業(yè)的眼球，非常值得人們期待。
5、石墨烯
石墨烯自2010年獲得諾獎(jiǎng)以來(lái)，廣受全球尤其是中國(guó)的關(guān)注，國(guó)內(nèi)一度掀起石墨烯研發(fā)熱潮。石墨烯具有單層原子厚度的二維結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電導(dǎo)率可達(dá)1×106S/m。石墨烯用于鋰離子電池中具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好，有助于提高電池的倍率性能和安全性；2、相對(duì)于石墨，石墨烯儲(chǔ)鋰空間多，可以提高電池的能量密度；3、顆粒尺度為微納米量級(jí)，鋰離子的擴(kuò)散路徑短，有利于提高電池的功率性能。作為正負(fù)極添加劑，可提高鋰電池的穩(wěn)定性、延長(zhǎng)循環(huán)壽命、增加內(nèi)部導(dǎo)電性能。
目前石墨烯在電池上的研究主要有：
JAN課題組利用研磨方法，首先將石墨烯和811型三元材料混合，然后50℃環(huán)境下攪拌8h，再經(jīng)過(guò)干燥，得到石墨烯/811復(fù)合材料。由于石墨烯的改性作用，正極材料的容量、循環(huán)穩(wěn)定性以及倍率性能都具有顯著的提高。
WANG在沉淀法制備三元前體時(shí)加入石墨烯，片層結(jié)構(gòu)石墨烯的加入其空腔結(jié)構(gòu)降低了一次顆粒的團(tuán)聚，緩解外壓從而減少二次顆粒碾壓的破碎，石墨烯的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提高了材料高倍率性和循環(huán)性能。
2017年12月，三星電子宣傳其研究部門(mén)——三星先進(jìn)技術(shù)研究院（SAIT）宣布成功開(kāi)發(fā)出一種“石墨烯球”。根據(jù)描述，這是一種“獨(dú)特的電池材料”，其容量增加了45%，充電速度比標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池快5倍（充滿(mǎn)電僅需12分鐘），堪稱(chēng)電池行業(yè)一大里程碑。三星表示，他們的研究提供了“下一代二次電池市場(chǎng)的承諾”，特別是在電動(dòng)汽車(chē)和移動(dòng)設(shè)備方面。
編輯視點(diǎn)
石墨烯材料是石墨烯產(chǎn)業(yè)的基石，但今天的石墨烯材料尚不足以支撐起未來(lái)的石墨烯產(chǎn)業(yè)，需要持續(xù)不斷地提升石墨烯材料的品質(zhì)，同時(shí)也面臨著標(biāo)準(zhǔn)不一、市場(chǎng)不規(guī)范等問(wèn)題。鑒于石墨烯當(dāng)前的批量生產(chǎn)工藝不成熟、價(jià)格高昂、性能不穩(wěn)定等，目前石墨烯主要作為正負(fù)極添加劑摻雜在鋰離子電池中使用。盡管產(chǎn)業(yè)化之路仍漫長(zhǎng)而崎嶇，但人們普遍對(duì)石墨烯進(jìn)入鋰電行業(yè)生活充滿(mǎn)期待。
6、碳納米管
碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料，自身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，同時(shí)由于其脫嵌鋰時(shí)深度小、行程短，作為負(fù)極材料在大倍率充放電時(shí)極化作用較小，可提高電池的大倍率充放電性能。但碳納米管直接作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)，會(huì)存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺(tái)不明顯等問(wèn)題。如Ng等采用簡(jiǎn)單的過(guò)濾制備了單壁碳納米管，將其直接作為負(fù)極材料，其首次放電容量為1700mAh/g，可逆容量?jī)H為400mAh/g。
碳納米管在負(fù)極中的另一個(gè)應(yīng)用是與其他負(fù)極材料（石墨類(lèi)、鈦酸鋰、錫基、硅基等）復(fù)合，利用其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性及大比表面積等優(yōu)點(diǎn)作為載體改善其他負(fù)極材料的電性能。
據(jù)悉，由北京天奈科技有限公司、天奈材料科技有限公司等單位起草的鋰離子電池用碳納米管導(dǎo)電漿料標(biāo)準(zhǔn)已于2017年5月31號(hào)頒布，主管單位為中國(guó)科學(xué)院，歸口單位為全國(guó)納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)。本標(biāo)準(zhǔn)于2017年12月1日起正式開(kāi)始實(shí)施。
長(zhǎng)久以來(lái)，鋰離子電池為追求能量密度提升，使用碳納米管作為高性能導(dǎo)電添加劑漸漸成為主流。隨著行業(yè)的成長(zhǎng)，有序規(guī)范日漸重要。天奈科技作為碳納米管與石墨烯導(dǎo)電漿料的領(lǐng)導(dǎo)廠(chǎng)商之一，積極參與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制訂，協(xié)助產(chǎn)業(yè)正常有序發(fā)展。
該標(biāo)準(zhǔn)的制訂公布為世界上首開(kāi)先河，率先于各國(guó)在納米產(chǎn)業(yè)上進(jìn)行規(guī)范，有助中國(guó)在世界納米產(chǎn)業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)制訂，并起到引領(lǐng)作用。天奈科技作為碳納米管與石墨烯最大的供應(yīng)商，希望能協(xié)助政府在此發(fā)揮影響力，讓中國(guó)的先進(jìn)納米產(chǎn)業(yè)在世界上能占有一席之地。
編輯視點(diǎn)
盡管對(duì)碳納米管進(jìn)行了多年的研究，但是近年來(lái)對(duì)碳納米管嵌鋰和循環(huán)性能的研究并沒(méi)有使得碳納米管在容量或者倍率性能方面與傳統(tǒng)石墨材料或者碳微球相比有明顯的優(yōu)勢(shì)。碳納米管在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在不可逆容量大，電壓范圍寬以及電壓滯后明顯的問(wèn)題。同時(shí)由于成本方面的問(wèn)題，碳納米管離實(shí)際應(yīng)用仍然會(huì)有很長(zhǎng)的路要走，但是作為一種導(dǎo)電劑添加，提高電極的導(dǎo)電性，降低電池極化，已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。
7、涂覆隔膜
隔膜的各個(gè)性能指標(biāo)是相互制約，相互影響的，所有隔膜廠(chǎng)家都在找其中的最優(yōu)的組合，并不存在所有指標(biāo)都最優(yōu)的隔膜，所以需要在電性能、安全性能以及規(guī)?；a(chǎn)的綜合評(píng)判指標(biāo)中找出平衡點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的隔膜越做越薄，因此需要在隔膜上涂膠或者圖陶瓷來(lái)滿(mǎn)足熱穩(wěn)定性以及抗拉強(qiáng)度的需要。
隔膜對(duì)鋰電池的安全性至關(guān)重要，這要求隔膜具有良好的電化學(xué)和熱穩(wěn)定性，以及反復(fù)充放電過(guò)程中對(duì)電解液保持高度浸潤(rùn)性。
涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等膠黏劑或陶瓷氧化鋁。涂覆隔膜可提高隔膜耐熱收縮性，防止隔膜收縮造成大面積短路；此外，涂覆材料熱傳導(dǎo)率低，可防止電池中的某些熱失控點(diǎn)擴(kuò)大形成整體熱失控。
對(duì)于隔膜的未來(lái)發(fā)展，隨著技術(shù)水平的進(jìn)步，隔膜逐漸由微孔向無(wú)孔過(guò)渡。目前研究路線(xiàn)有：
1、通過(guò)熱壓法制備的三明治結(jié)構(gòu)的無(wú)紡布復(fù)合隔膜，顯著改善了陶瓷層的脫落、改善電池的自放電等性能。
2、通過(guò)靜電紡絲法制備的PI納米纖維膜，不近改善了隔膜本身的機(jī)械強(qiáng)度，也在吸收電解液以及離子電導(dǎo)率方面也有了顯著改善。
3、三明治結(jié)構(gòu)的PI－PVDF－PI納米纖維隔膜，在160℃是PVDF熔化，堵塞PI的微孔，從而實(shí)現(xiàn)了閉孔的功能，顯著改善了電池的安全性能。
編輯視點(diǎn)
作為鋰離子電池四大主材之一的隔膜，它的存在直接影響著電池的安全性，它的孔隙率、厚度、吸液性、靜電值直接影響著電池的電性能。而隨著鋰離子電池能量密度的逐年提升，非活性物質(zhì)的量也是越來(lái)越少，隔膜也越來(lái)越薄，這將給鋰離子電池的安全性帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。從鋰電未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)看，涂覆隔膜和目前的鋰電池技術(shù)發(fā)展是匹配的，高安全性、高穩(wěn)定性的隔膜將是未來(lái)七八年的研究熱點(diǎn)。
8、陶瓷氧化鋁
在涂覆隔膜中，陶瓷涂覆隔膜主要針對(duì)動(dòng)力電池體系，因此其市場(chǎng)成長(zhǎng)空間較涂膠隔膜更大，其核心材料陶瓷氧化鋁的市場(chǎng)需求將隨著三元?jiǎng)恿﹄姵?/a>的興起而大幅提升。
用于涂覆隔膜的陶瓷氧化鋁的純度、粒徑、形貌都有很高要求，日本、韓國(guó)的產(chǎn)品較成熟，但價(jià)格比國(guó)產(chǎn)的貴一倍以上。國(guó)內(nèi)目前也有多家企業(yè)在研發(fā)陶瓷氧化鋁，希望逐漸實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替換。國(guó)內(nèi)陶瓷涂覆隔膜企業(yè)主要有義騰新能源和中材科技等。
義騰新能源規(guī)劃陶瓷涂覆隔膜生產(chǎn)線(xiàn)6條，年產(chǎn)陶瓷涂覆隔膜1.8億平方米，現(xiàn)已建成5條。
2017年7月，安瑞達(dá)陶瓷涂覆隔膜開(kāi)始應(yīng)用市場(chǎng)，產(chǎn)品采用高純度原料，保證電池不引入雜質(zhì)離子的同時(shí)，采用特殊憎水性膠黏劑，對(duì)電池裝配過(guò)程中的水分進(jìn)行控制。該產(chǎn)品基材具有穩(wěn)定黏附力，可確保不掉粉及產(chǎn)品透氣性的穩(wěn)定。2017年10月，安瑞達(dá)高強(qiáng)度單層涂覆隔膜ASC2024，ASC1614研發(fā)成功，并成功應(yīng)用市場(chǎng)。
截止到2017年11月，中科科技雙拉干法隔膜以及干法雙拉單面涂覆陶瓷隔膜銷(xiāo)量共計(jì)近8000萬(wàn)平方米，實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售收入近2億元，在同類(lèi)產(chǎn)品中的市場(chǎng)占有率達(dá)15%，市場(chǎng)占有率及技術(shù)水平長(zhǎng)期位居國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品前列。
2017年12月21日，中材科技透露，2.4億平米新生產(chǎn)線(xiàn)(包括2條單線(xiàn)產(chǎn)能4000萬(wàn)平米的生產(chǎn)線(xiàn)，2條單線(xiàn)產(chǎn)能6000萬(wàn)平米的生產(chǎn)線(xiàn)，同時(shí)配套建設(shè)4條陶瓷涂覆生產(chǎn)線(xiàn)，產(chǎn)能4000萬(wàn)平米建設(shè)比較順利，預(yù)計(jì)在今年一季度左右能夠全部完成。
編輯視點(diǎn)
涂覆隔膜乃是當(dāng)今隔膜應(yīng)用發(fā)展的焦點(diǎn)所在，隔膜表面采用涂覆層優(yōu)勢(shì)明顯。隨著三元?jiǎng)恿﹄姵刂饾u成為主流的動(dòng)力電池，陶瓷涂覆隔膜將成為電池隔膜市場(chǎng)的新增長(zhǎng)點(diǎn)。但仍需提高隔膜孔徑、孔隙率、透氣度等關(guān)鍵參數(shù)的均一性和穩(wěn)定性。未來(lái)掌握陶瓷涂覆隔膜前沿技術(shù)將助力企業(yè)在之后的競(jìng)爭(zhēng)中掌握主動(dòng)權(quán)。
9、高電壓電解液
提高電池能量密度是鋰電池的主流趨勢(shì)之一，目前提高能量密度方法主要有兩種：一種是提高傳統(tǒng)正極材料的充電截止電壓，如將鈷酸鋰的充電電壓提升至4.35V、4.4V。但靠提升充電截止電壓的方法是有限的，進(jìn)一步提升電壓會(huì)導(dǎo)致鈷酸鋰結(jié)構(gòu)坍塌，性質(zhì)不穩(wěn)定；另一種方法則是開(kāi)發(fā)充放電平臺(tái)更高的新型正極材料，如富鋰錳基、三元材料等。
雖然高電壓鋰電池正極材料越來(lái)越受到重視，但是在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，這些高壓正極材料仍無(wú)法達(dá)到良好的效果。最大的限制因素是，碳酸酯基電解液電化學(xué)穩(wěn)定窗口低，當(dāng)電池電壓達(dá)到4.5V左右時(shí)，電解液便開(kāi)始發(fā)生劇烈的氧化分解，導(dǎo)致電池的嵌脫鋰反應(yīng)無(wú)法正常進(jìn)行。開(kāi)發(fā)耐受高電壓的電解液體系成為推動(dòng)這種新型材料實(shí)用化的重要環(huán)節(jié)。
通過(guò)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新型的高壓電解液體系或者高壓成膜添加劑來(lái)提高電極/電解液界面的穩(wěn)定性是研發(fā)高電壓型電解液的有效途徑，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，后者往往更受青睞。這種提高電解液耐受電壓能力的添加劑一般包括含硼類(lèi)、有機(jī)磷類(lèi)、碳酸酯類(lèi)、含硫類(lèi)、離子液體及其它類(lèi)型添加劑。含硼類(lèi)添加劑有三（三甲基烷）硼酸酶、雙草酸硼酸鋰、雙氟草酸硼酸鋰、四甲基硼酸酯、硼酸三甲酯以及三甲基環(huán)三硼氧烷等。有機(jī)磷類(lèi)添加劑包括亞磷酸酯、磷酸酯類(lèi)。碳酸酯類(lèi)添加劑包括含氟皖基化合物。含硫添加劑包括1，3－丙磺酸內(nèi)酯、二甲磺酰甲烷、三氟甲基苯硫醚等。離子液體類(lèi)添加劑包括咪唑和季磷鹽類(lèi)。
從已經(jīng)公開(kāi)報(bào)道的國(guó)內(nèi)外研究來(lái)看，引入高壓添加劑可以使電解液耐受4.4～4.5V的電壓，然而當(dāng)充電電壓達(dá)到4.8V甚至5V以上，必須開(kāi)發(fā)可耐更高電壓的電解液。
我國(guó)電解液產(chǎn)業(yè)起步晚于日本和韓國(guó)，但近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。全球電解液需求占比中，中國(guó)比例不斷提高，中國(guó)本土供應(yīng)鏈不斷壯大，國(guó)內(nèi)的電池企業(yè)，電解液大部分都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。在以天賜材料為代表的本土企業(yè)的努力下，中國(guó)正在領(lǐng)跑全球電解液供應(yīng)鏈，并推動(dòng)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)不斷變大變強(qiáng)。
編輯視點(diǎn)
隨著人們對(duì)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池各項(xiàng)性能的要求不斷提高，鋰電池不斷迭代升級(jí)，開(kāi)始步入高鎳三元時(shí)代成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。然而，如果電解液不能隨電池材料同步升級(jí)，高鎳三元體系就很難實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)初衷。高鎳三元時(shí)代是一個(gè)關(guān)鍵機(jī)遇，電解液企業(yè)可抓住這一契機(jī)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高產(chǎn)品技術(shù)含量，這樣才能在新的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)下脫穎而出。
10、鋰電溶劑和粘結(jié)劑
鋰電輔材成本占比較小，但是作用重要。鋰電輔材主要包括溶劑和粘結(jié)劑，溶劑主要作用是溶解正負(fù)極活性物質(zhì)，而粘結(jié)劑主要作用是將活性物質(zhì)粘結(jié)在集流體上，輔材用量一般為2%-5%，相比四大材料，成本占比較小，但是作用重要。
電動(dòng)汽車(chē)等大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的高速發(fā)展對(duì)鋰離子電池的性能提出了更高的要求。高性能電池系統(tǒng)的發(fā)展需要對(duì)每一個(gè)電池組件進(jìn)行優(yōu)化，包括電極材料、電解液以及粘結(jié)劑。傳統(tǒng)鋰離子電池的粘結(jié)劑系統(tǒng)由絕緣聚合物和導(dǎo)電添加劑的混合物組成。正極材料主要使用PVDF做粘結(jié)劑，用有機(jī)溶劑進(jìn)行溶解。負(fù)極的粘結(jié)劑體系中有SBR、CMC、含氟烯烴聚合物等，也會(huì)用到有機(jī)溶劑。
在制備電池電極時(shí)，導(dǎo)電相和活性材料隨機(jī)分布，通常會(huì)導(dǎo)致較差的電子和離子傳輸能力。當(dāng)使用高容量電極材料時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高應(yīng)力會(huì)破壞傳統(tǒng)粘結(jié)劑系統(tǒng)的機(jī)械完整性，導(dǎo)致電池的循環(huán)壽命下降。因此，設(shè)計(jì)能夠提供穩(wěn)定、低阻、連續(xù)的內(nèi)部通路以連接電極的所有區(qū)域的新型粘結(jié)劑系統(tǒng)至關(guān)重要。
在水性粘結(jié)劑研究方面，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的余桂華教授和石燁博士，周星怡博士生基于近期發(fā)表的關(guān)于新型鋰離子電池粘結(jié)劑系統(tǒng)的合成、應(yīng)用以及機(jī)理研究方面的工作，系統(tǒng)總結(jié)了高性能粘結(jié)劑體系材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，分析了研究粘結(jié)劑電化學(xué)機(jī)理的模擬與表征方法。
研究結(jié)果還展望了未來(lái)多功能電池粘結(jié)劑的合成與應(yīng)用。通過(guò)分子設(shè)計(jì)以及復(fù)合材料的合成，更多的功能可以被引入電池粘結(jié)劑系統(tǒng)中，包括自修復(fù)性能、柔性、可拉伸性能以及環(huán)境響應(yīng)性。已經(jīng)有研究證明具有自修復(fù)性能的粘結(jié)劑能有效提升電池壽命。近期，余桂華課題組發(fā)展了同時(shí)具有導(dǎo)電以及自修復(fù)性能的復(fù)合凝膠材料，可作為未來(lái)的多功能電池粘結(jié)劑，以提高電池性能。同樣的，其他具有優(yōu)異機(jī)械性能以及環(huán)境響應(yīng)性的新型粘結(jié)劑可用于發(fā)展柔性電池以及可自調(diào)控的安全電池。
編輯視點(diǎn)
高性能電池系統(tǒng)的發(fā)展需要對(duì)每一個(gè)電池組件進(jìn)行優(yōu)化，包括電極材料、電解液以及粘結(jié)劑。傳統(tǒng)鋰離子電池的粘結(jié)劑系統(tǒng)由絕緣聚合物和導(dǎo)電添加劑的混合物組成。在制備電池電極時(shí)，導(dǎo)電相和活性材料隨機(jī)分布，通常會(huì)導(dǎo)致較差的電子和離子傳輸能力。因此，高性能的輔料對(duì)推動(dòng)鋰電池往高性能、高安全性發(fā)展而言也是必不可少的。
總結(jié)
材料是人類(lèi)文明的三大支柱之一。高新技術(shù)是推動(dòng)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，而新材料是高新技術(shù)的基石，新材料的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了高新技術(shù)的發(fā)展。在新能源行業(yè)發(fā)展的過(guò)程中更需要新材料作為支撐。
