鉅大LARGE | 點擊量：1151次 | 2021年07月09日
未來鋰電池的一個發(fā)展路線
1，目前業(yè)界比較公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
經(jīng)過研發(fā)人員和工程師的不懈努力，從鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池，走到磷酸鐵鋰電池，再到現(xiàn)在主流的三元電池，每一次的提升，都是一代人的努力，基于提升鋰電池的安全性、能量密度、倍率性能，再結(jié)合目前電池研發(fā)現(xiàn)狀，總結(jié)出了未來鋰電池的一個發(fā)展路線。
2020年是多陽離子電極，主要以NCM、NCA復(fù)合正極材料，負(fù)極以C以及部分硅碳復(fù)合為主，能量密度大概300-350wh/kg。
2020-2025年，以全固態(tài)鋰離子電池為主，金屬鋰負(fù)極或硅碳負(fù)極。能量密度400wh/kg，同時開發(fā)鈉離子電池，鈉比鋰更加廉價，但比鋰離子大，且存在液態(tài)記憶。
2025年后，主要以鋰硫電池-->鋰金屬電池-->>鋰空氣電池發(fā)展為主，這類電池，能量密度更高，材料的可取性也越來越方便，但目前存在較多難題，還需要繼續(xù)去攻克，鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池。單質(zhì)硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環(huán)境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達到1675mAh/g和2600Wh/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的三元電池。
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%
并且硫是一種對環(huán)境友好的元素，對環(huán)境基本沒有污染，是一種非常有前景的鋰電池；鋰金屬電池，用鋰金屬箔來取代石墨，它可以容納更多的離子，但通常鋰金屬箔與電解質(zhì)會產(chǎn)生不良反應(yīng)，從而導(dǎo)致電解質(zhì)過熱，甚至導(dǎo)致燃燒，這一技術(shù)能將當(dāng)前鋰電池的體積縮小一半，從理論上來說，如果電池體積不變，在搭載鋰金屬電池的情況下，電動汽車的續(xù)航里程將提升一倍；鋰空氣電池，是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因為其陰極(以多孔碳為主)很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里，理論上，由于氧氣作為陰極反應(yīng)物不受限，該電池的容量僅取決于鋰電極，其比能為5.21kWh/kg(包括氧氣質(zhì)量)，或11.4kWh/kg(不包括氧氣)。
2，能量載體基本要求有哪些？
（1）原子相對質(zhì)量要小；
（2）得失電子能力要強；
（3）電子轉(zhuǎn)移比例要高。
3，電池的主要指標(biāo)有哪些？
（1）容量；
（2）能量密度；
（3）充放電倍率；
（4）電壓；
（5）壽命；
（6）內(nèi)阻；
（7）自放電；
（8）工作溫度范圍。
4，正極材料（LFP、NCM、LiCo等）特性有哪些？
（1）較高的氧化還原反應(yīng)電位，高輸出電壓；
（2）鋰元素含量高，能量密度高；
（3）化學(xué)反應(yīng)中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；
（4）電導(dǎo)率高；
（5）化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，不易分解和反應(yīng)；
（6）價格便宜；
（7）制作工藝相對簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)；
（8）對環(huán)境友好，污染低。
公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
5，負(fù)極材料（Li、C、AL、鈦酸鋰等）特性有哪些？
（1）層狀結(jié)構(gòu)或者隧道結(jié)構(gòu)，利于脫嵌；
（2）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，良好的充放電可逆性和循環(huán)性能；
（3）鋰離子盡可能多的插入和脫嵌；
（4）氧化還原電位低；
（5）首次不可逆放電容量低；
（6）與電解質(zhì)溶劑相容性較好；
（7）價格低廉，材料易得；
（8）安全性好；
（9）環(huán)境友好。
6，提高電池能量密度的途徑通常有哪些？
（1）提高正負(fù)極活性物質(zhì)占比；
（2）提高正負(fù)極材料的比容量（克容量）；
（3）減重瘦身。
7，如何提高鋰離子電池的充放電倍率？
（1）提高正負(fù)極的鋰離子擴散能力；
（2）提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率；
（3）降低電池內(nèi)阻（歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻）。
8，哪些因素影響鋰離子電池的循環(huán)壽命？
（1）負(fù)極金屬鋰沉積；
（2）正極材料的分解；
（3）SEI的形成和再次消耗；
（4）電解質(zhì)的影響，主要表現(xiàn)在：總量減少，有雜質(zhì)存在，水滲入；
（5）隔膜阻塞或破壞；
（6）正負(fù)極材料脫落；
（7）外部使用因素。
公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
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9，鋰離子電池內(nèi)部材料反應(yīng)分解溫度？
（1）SEI膜分解，電解液放熱反應(yīng)，130℃；
（2）電解質(zhì)分解，產(chǎn)熱，130℃-250℃；
（3）正極材料分解產(chǎn)生大量氣體和氧，180℃-500℃；
（4）粘結(jié)劑和負(fù)極活性物質(zhì)的反應(yīng)，240℃-290℃。
一般由于過充、大倍率放電、內(nèi)部短路、外部短路、振動、碰撞、跌落、沖擊等造成短路，產(chǎn)生大量熱和氣體的一個過程。
公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
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10，未來最具潛力的幾種鋰電池材料
（1）硅碳復(fù)合負(fù)極材料，能量密度高，產(chǎn)業(yè)化400wh/kg以上，但體積膨脹嚴(yán)重，循環(huán)差；
（2）鈦酸鋰，循環(huán)10000次以上，體積變化＜1%，不形成枝晶，穩(wěn)定性極好，可快速充電，但價格高，能量密度低，約170wh/kg；
（3）石墨烯，可用于負(fù)極材料和正極添加劑，導(dǎo)電性極好，離子傳輸快，首效差，約65%，循環(huán)差，價格高；
公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
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（4）富鋰錳基電池，能量密度約900wh/kg，原材料豐富，但首效低，安全和循環(huán)差，倍率性能偏低；
（5）NCM三元材料，一般在250wh/kg，配上硅碳負(fù)極，約在350wh/kg；
（6）CNTs，碳納米管，導(dǎo)電性能優(yōu)越，優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性；
公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
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（7）涂覆隔膜，基膜+PVDF+勃姆石，提高隔膜耐收縮性、熱傳導(dǎo)低，防止全部熱失控；
（8）高電壓電解液，這個就不用說了，隨著能量材料能量密度，電壓也相應(yīng)提高；
（9）水性粘結(jié)劑，出于環(huán)境保護和健康。
預(yù)鋰化，講這個之前，先給大家講一下，半電池（正極為正極材料，負(fù)極為金屬鋰片）和全電池的首效問題。
這是鈷酸鋰半電池首效，不理解全電池和半電池沒關(guān)系，你就理解成這是正極材料的首效。
公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
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從上圖我們可以看出，半電池的首次充電容量要略高于首次放電容量，也就是說，充電時從正極脫嵌的鋰離子，并沒有100%在放電時回到正極。而首次放電容量/首次充電容量，就是這個半電池的首次效率。
磷酸鐵鋰正極半電池首效
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三元正極半電池首效
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從上面幾張圖可以看出，三元的首次效率是最低的，一般為85~88%；鈷酸鋰次之，一般是94~96%；磷酸鐵鋰比鈷酸鋰略高一點，為95%~97%。正極材料的首效主要是由于發(fā)生脫嵌后，正極材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，沒有足夠的嵌鋰位置，鋰離子無法在首次放電時全部回來。
石墨負(fù)極半電池首效
公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
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石墨電池半電池和正極不一樣的是，石墨做正極，金屬鋰片做負(fù)極，故而先放電，而石墨的首效明顯低于正極材料的首效，主要原因就是鋰離子穿過電解質(zhì)，會在石墨表面形成SEI膜，消耗了大量鋰離子。而為了SEI膜獻身的鋰離子則無法回到負(fù)極。
全電池首次效率，從電池注液后，需要經(jīng)過化成（僅充電）和分容這（有充放電）的工序，一般而言，化成以及分容第一步都是充電過程，二者容量加和，就是全電池首次充入容量；分容工步的第二步一般是從滿電狀態(tài)放電至空電，因此此步容量為全電池的放電容量。將二者結(jié)合起來，就得到了全電池首次效率的算法：
全電池首次效率=分容第二步放電容量/（化成充入容量+分容第一步充入容量）
日常中一般為了減少偏差，取第二次完全放電容量為電池容量。
綜上，我們可以得出一個結(jié)論。若電池正極使用了首次效率為88%的三元材料，而負(fù)極使用了首次效率為92%的石墨材料。對這款全電池而言，首次效率就是88%，也就是當(dāng)正極首效為88%、負(fù)極首效為92%時，全電池的首效為88%，與較低的正極相等。
當(dāng)然，除了電池材料影響首效，電極材料的比表面積也是一個重要的影響因素，石墨的比表面積越大，形成的SEI膜越大，需要消耗的鋰離子更多，首效更低。此外還與電池的化成充電制度有關(guān)，充入合適的SOC，也會一定程度上影響電池的首效。
公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
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對全電池而言，化成時負(fù)極界面形成的SEI膜會消耗掉從正極脫嵌的鋰離子，并降低電池的容量。如果我們可以從正極材料外再尋找到一個鋰源，讓SEI膜的形成消耗外界鋰源的鋰離子，這樣就可以保證正極脫嵌的鋰離子不會浪費于化成過程，最終就可以提高全電池容量。這個提供外界鋰源的過程，就是預(yù)鋰化。
下面我將借用一片文章來給大家講述一下主要的預(yù)鋰化方法，而我只見過一種，就是負(fù)極噴涂鋰粉的方法。
1，負(fù)極提前化成法
我們可以讓負(fù)極單獨化成，待負(fù)極形成SEI膜后再與正極裝配，這樣就可以避免化成對正極鋰離子的損耗，并大幅提升全電池的首次效率及容量，如示意圖：
公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
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在上圖中，負(fù)極片與鋰片被浸泡在電解液中，并有外電路連接充電。這樣就可以保證化成時消耗的鋰離子來源于金屬鋰片而非正極。待負(fù)極片化成完畢后，再與正極片裝配，電芯已不需要再進行化成，從而不會由于負(fù)極形成SEI膜而損失正極的鋰離子，容量也就會明顯提高。
這種預(yù)鋰化方法的優(yōu)點是可以最大限度的模擬正常化成流程，同時保證SEI膜的形成效果與全電池相近。但是負(fù)極片的提前化成和正負(fù)極片的裝配這兩個工序，操作難度過大。
2，負(fù)極噴涂鋰粉法
由于使用負(fù)極片單獨化成補鋰難以操作，因此人們想到了直接在負(fù)極極片上噴涂鋰粉的補鋰方法。首先要制作出一種穩(wěn)定的金屬鋰粉末顆粒，顆粒的內(nèi)層為金屬鋰，外層為具有良好鋰離子導(dǎo)通率和電子導(dǎo)通率的保護層。預(yù)鋰化過程中，先將鋰粉分散在有機溶劑中，然后將分散體噴涂在負(fù)極片上，接著將負(fù)極片上的殘留有機溶劑干燥，這樣就得到了完成預(yù)鋰化的負(fù)極片。后續(xù)的裝配工作與正常流程一致。
化成時，噴涂在負(fù)極上的鋰粉會消耗于SEI膜的形成，從而最大限度的保留從正極脫嵌的鋰離子，提高全電池的容量。
下圖為負(fù)極硅合金、正極鈷酸鋰全電池的效率對比圖，可以看出在負(fù)極進行了預(yù)鋰化之后，首次效率有了明顯的提升：
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采用這種預(yù)鋰化方法的缺點是安全性較難保證，材料及設(shè)備改造成本較高。
3，負(fù)極三層電極法
由于設(shè)備及工藝的局限性，單純的為了預(yù)鋰化而進行高成本的改造并非電池廠的優(yōu)先選擇，如果可以用電池廠熟悉的方式完成預(yù)鋰化，那推廣性就大幅增強了。下面所說的三層電極法，對電池廠的操作就更為簡單。三層電極法的核心在于銅箔的處理，銅箔示意圖如下：
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與正常銅箔相比，三層電極法的銅箔被涂上了后期化成所需要的金屬鋰粉，為了保護鋰粉不與空氣反應(yīng)，又涂上了一層保護層；負(fù)極則直接涂在保護層上。裝配后單層電極的整體示意圖如下：
公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？
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當(dāng)電芯完成注液后，保護層會溶解于電解液中，從而讓金屬鋰與負(fù)極接觸，化成時形成SEI膜所消耗的鋰離子由金屬鋰粉補充。充電后的電極圖示如下：這種方法對電池廠加工條件沒有苛刻要求，但是保護層在極片收放卷、輥壓、裁切等工位的穩(wěn)定性是對電極材料研發(fā)的很大挑戰(zhàn)，金屬鋰粉化成消失后負(fù)極材料粘結(jié)性的保證也頗有難度。
4，正極富鋰材料法
在企業(yè)里工作的小伙伴們一定都曾深切的體會過：即便實驗室條件下能夠成功的東西，挪到企業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)后也很可能困難重重。設(shè)備的改造成本、材料的批量投入成本、加工環(huán)境的控制成本等都可能成為新技術(shù)無法推廣的致命傷。對于鋰電這一工藝、設(shè)備已經(jīng)基本成熟的行業(yè)而言，企業(yè)優(yōu)先選擇的預(yù)鋰化方案，一定會是一個不用做太多現(xiàn)場改動、甚至拿過來就能直接推廣的方法。而正極富鋰材料法，恰好滿足了電池廠這一方面的需求。
所謂正極富鋰法，可以簡單理解為，有這么一種材料，在化成的時候，她的正極釋放出的鋰離子個數(shù)，是目前所用的材料所能釋放的鋰離子個數(shù)的好幾倍。當(dāng)負(fù)極首效低于正極時，化成時就會有太多的鋰離子損耗于負(fù)極，造成放電后正極有效空間無法被鋰離子欠滿，形成正極嵌鋰空間的浪費。如果在正極中加入少量的高克容量富鋰化材料，這樣既可以為化成時SEI膜的形成提供更多的鋰離子，也不用擔(dān)心放電時富鋰化材料無法再次嵌鋰（因為化成時已經(jīng)將富鋰材料提供的鋰離子全部消耗）。
上面所述的各種預(yù)鋰化方法，針對的都是負(fù)極首效低于正極的全電池，全電池預(yù)鋰化后，首次效率最高也只能達到正極材料半電池的水平。而對于正極首效更低的電池而言，上面的方法則基本無能為力，原因是此時全電池的首效受限于正極充電后不再有足夠的嵌鋰空間，即使外界補鋰，也無法嵌入正極，因而沒有作用。學(xué)習(xí)電動車鋰電池組裝知識購買鋰電池點焊設(shè)備就找淮安遠(yuǎn)征新能源科技，智慧鋰電智能保護跑得快壽命長里程遠(yuǎn)，了解更對點擊藍(lán)色字體鏈接鋰電池組裝基礎(chǔ)知識培訓(xùn)
