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動力電池產業化發展的途徑要依靠什么技術來實現?

鉅大LARGE  |  點擊量:763次  |  2019年11月22日  

動力電池產業化發展的路徑

隨著不同技術路線動力電池產品工程化、商業化發展,鋰離子動力電池技術正朝著更高的能量密度、循環壽命等指標逐漸進步。其中,正極材料采用高鎳三元材料,負極加入納米硅形成硅碳負極材料,電解質逐漸由液態發展為固態,以實現更高的鋰電池能量密度產品與相關市場領域產業化。

3.1高鎳三元正極材料

3.1.1技術原理、優缺點

三元材料目前是高能量密度動力電池最優選擇。高鎳三元短期內正在成為動力電池應用主流。三元材料結合了鎳(提升電池容量)、鈷(提高離子導電性)、錳(穩定結構)的性能優勢,是近階段高能量密度、高性能和低成本的主流產品。到2020年,我國高鎳三元鋰電池產業化能量密度指標是300Wh/kg,力爭實現350Wh/kg。

高鎳三元材料在技術方面仍存在一定的缺點。一是高鎳三元材料的鎳比例提升,加劇鎳鋰離子混排,降低了放電比容量;二是鎳在脫嵌鋰過程中相變導致體積變化,降低了材料結構穩定性,進而導致循環壽命下降;三是碳酸鋰等雜質在高鎳正極材料上更易形成,高溫環境會導致脹氣,雜質與電解液發生副反應,最終導致循環壽命下降,;四是鎳含量的增加產生熱量,使得正極材料熱穩定性下降;五是高鎳三元材料表面雜質增加,電解液配方優化方案目前仍屬難題。

3.1.2研發及產業化、主要研發企業

國際方面,松下、三星SDI、LG化學等企業高鎳三元電池已經實現量產(松下鎳鈷鋁三元材料電池配套特斯拉車型,鎳、鈷、鋁比例為8:1.5:0.5,單體電芯能量密度為300Wh/kg)。

國內方面,目前企業普遍在研發三元材料622體系、811體系技術,尚未大規模量產。寧德時代、比亞迪、力神、國軒高科等行業領先企業在高鎳三元鋰電池研發方面已取得進展。比亞迪、中航鋰電、比克電池的正極材料采用高鎳三元材料,負極材料選用納米硅材料體系,2020年能量密度擬提升到300Wh/kg。寧德時代高能量密度電芯采用高鎳三元/硅碳材料體系,計劃2020年達300Wh/kg。國軒高科、中電力神、億緯鋰能的高能量密度電芯采用高鎳三元正極和硅基負極材料體系,計劃2020年達300Wh/kg。

3.2硅碳負極材料

3.2.1技術原理、優缺點

納米硅與石墨形成的硅碳負極材料,能夠有效提升鋰電池的克容量,進一步實現更高的能量密度。從目前已產品化的硅碳負極材料性能來看,相比于石墨負極材料而言,硅碳負極材料最大的優勢在于比容量的提升。硅碳負極材料的最低比容量均都超過石墨負極材料的理論比容量。石墨的理論能量密度是372mAh/g,硅負極的理論能量密度高達4200mAh/g。

盡管如此,硅碳負極材料目前仍存在缺點,一是硅體積在充放電的過程產生體積膨脹100%~300%,一定程度上影響電導率。二是硅為半導體,導電性與石墨存在差距,在鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大,首次庫倫效率發生下降。

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