鉅大LARGE | 點擊量：833次 | 2022年03月21日
未來鋰離子電池的一個發展路線
1，目前業界比較公認的鋰電發展路線是什么？
經過研發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，再結合目前電池研發現狀，總結出了未來鋰電池的一個發展路線。
2020年是多陽離子電極，主要以NCM、NCA復合正極材料，負極以C以及部分硅碳復合為主，能量密度大概300-350wh/kg。
2020-2025年，以全固態鋰離子電池為主，金屬鋰負極或硅碳負極。能量密度400wh/kg，同時開發鈉離子電池，鈉比鋰更加廉價，但比鋰離子大，且存在液態記憶。
2025年后，主要以鋰硫電池-->鋰金屬電池-->>鋰空氣電池發展為主，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，還需要繼續去攻克，鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負極的一種鋰電池。單質硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環境友好等特點。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，遠遠高于商業上廣泛應用的三元電池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
并且硫是一種對環境友好的元素，對環境基本沒有污染，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會產生不良反應，從而導致電解質過熱，甚至導致燃燒，這一技術能將當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）原子相對質量要小；
（2）得失電子能力要強；
（3）電子轉移比例要高。
3，電池的主要指標有哪些？
（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電位，高輸出電壓；
（2）鋰元素含量高，能量密度高；
（3）化學反應中結構穩定；
（4）電導率高；
（5）化學穩定性和熱穩定性好，不易分解和反應；
（6）價格便宜；
（7）制作工藝相對簡單，適合大規模生產；
（8）對環境友好，污染低。
公認的鋰電發展路線是什么？
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5，負極材料（Li、C、AL、鈦酸鋰等）特性有哪些？
（1）層狀結構或者隧道結構，利于脫嵌；
（2）結構穩定，良好的充放電可逆性和循環性能；
（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）與電解質溶劑相容性較好；
（7）價格低廉，材料易得；
（8）安全性好；
（9）環境友好。
6，提高電池能量密度的途徑通常有哪些？
（1）提高正負極活性物質占比；
（2）提高正負極材料的比容量（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）提高正負極的鋰離子擴散能力；
（2）提高電解質的離子電導率；
（3）降低電池內阻（歐姆內阻和極化內阻）。
8，哪些因素影響鋰離子電池的循環壽命？
（1）負極金屬鋰沉積；
（2）正極材料的分解；
（3）SEI的形成和再次消耗；
（4）電解質的影響，主要表現在：總量減少，有雜質存在，水滲入；
（5）隔膜阻塞或破壞；
（6）正負極材料脫落；
（7）外部使用因素。
公認的鋰電發展路線是什么？
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9，鋰離子電池內部材料反應分解溫度？
（1）SEI膜分解，電解液放熱反應，130℃；
（2）電解質分解，產熱，130℃-250℃；
（3）正極材料分解產生大量氣體和氧，180℃-500℃；
（4）粘結劑和負極活性物質的反應，240℃-290℃。
一般由于過充、大倍率放電、內部短路、外部短路、振動、碰撞、跌落、沖擊等造成短路，產生大量熱和氣體的一個過程。
公認的鋰電發展路線是什么？
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10，未來最具潛力的幾種鋰電池材料
（1）硅碳復合負極材料，能量密度高，產業化400wh/kg以上，但體積膨脹嚴重，循環差；
（2）鈦酸鋰，循環10000次以上，體積變化＜1%，不形成枝晶，穩定性極好，可快速充電，但價格高，能量密度低，約170wh/kg；
（3）石墨烯，可用于負極材料和正極添加劑，導電性極好，離子傳輸快，首效差，約65%，循環差，價格高；
公認的鋰電發展路線是什么？
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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，安全和循環差，倍率性能偏低；
（5）NCM三元材料，一般在250wh/kg，配上硅碳負極，約在350wh/kg；
（6）CNTs，碳納米管，導電性能優越，優異的熱傳導性；
公認的鋰電發展路線是什么？
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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，電壓也相應提高；
（9）水性粘結劑，出于環境保護和健康。
預鋰化，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系，你就理解成這是正極材料的首效。
公認的鋰電發展路線是什么？
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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
公認的鋰電發展路線是什么？
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三元正極半電池首效
公認的鋰電發展路線是什么？
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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生脫嵌后，正極材料結構發生變化，沒有足夠的嵌鋰位置，鋰離子無法在首次放電時全部回來。
石墨負極半電池首效
公認的鋰電發展路線是什么？
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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，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極。
全電池首次效率，從電池注液后，需要經過化成（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放電至空電，因此此步容量為全電池的放電容量。將二者結合起來，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論。若電池正極使用了首次效率為88%的三元材料，而負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%，也就是當正極首效為88%、負極首效為92%時，全電池的首效為88%，與較低的正極相等。
當然，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，充入合適的SOC，也會一定程度上影響電池的首效。
公認的鋰電發展路線是什么？
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對全電池而言，化成時負極界面形成的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，就是預鋰化。
下面我將借用一片文章來給大家講述一下主要的預鋰化方法，而我只見過一種，就是負極噴涂鋰粉的方法。
1，負極提前化成法
我們可以讓負極單獨化成，待負極形成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：
公認的鋰電發展路線是什么？
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在上圖中，負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。
這種預鋰化方法的優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。但是負極片的提前化成和正負極片的裝配這兩個工序，操作難度過大。
2，負極噴涂鋰粉法
由于使用負極片單獨化成補鋰難以操作，因此人們想到了直接在負極極片上噴涂鋰粉的補鋰方法。首先要制作出一種穩定的金屬鋰粉末顆粒，顆粒的內層為金屬鋰，外層為具有良好鋰離子導通率和電子導通率的保護層。預鋰化過程中，先將鋰粉分散在有機溶劑中，然后將分散體噴涂在負極片上，接著將負極片上的殘留有機溶劑干燥，這樣就得到了完成預鋰化的負極片。后續的裝配工作與正常流程一致。
化成時，噴涂在負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。
下圖為負極硅合金、正極鈷酸鋰全電池的效率對比圖，可以看出在負極進行了預鋰化之后，首次效率有了明顯的提升：
公認的鋰電發展路線是什么？
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采用這種預鋰化方法的缺點是安全性較難保證，材料及設備改造成本較高。
3，負極三層電極法
由于設備及工藝的局限性，單純的為了預鋰化而進行高成本的改造并非電池廠的優先選擇，如果可以用電池廠熟悉的方式完成預鋰化，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：
公認的鋰電發展路線是什么？
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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，又涂上了一層保護層；負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：
公認的鋰電發展路線是什么？
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當電芯完成注液后，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、裁切等工位的穩定性是對電極材料研發的很大挑戰，金屬鋰粉化成消失后負極材料粘結性的保證也頗有難度。
4，正極富鋰材料法
在企業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，挪到企業的規模化生產后也很可能困難重重。設備的改造成本、材料的批量投入成本、加工環境的控制成本等都可能成為新技術無法推廣的致命傷。對于鋰電這一工藝、設備已經基本成熟的行業而言，企業優先選擇的預鋰化方案，一定會是一個不用做太多現場改動、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，是目前所用的材料所能釋放的鋰離子個數的好幾倍。當負極首效低于正極時，化成時就會有太多的鋰離子損耗于負極，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，也不用擔心放電時富鋰化材料無法再次嵌鋰（因為化成時已經將富鋰材料提供的鋰離子全部消耗）。
上面所述的各種預鋰化方法，針對的都是負極首效低于正極的全電池，全電池預鋰化后，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。學習電動車鋰電池組裝知識購買鋰電池點焊設備就找淮安遠征新能源科技，智慧鋰電智能保護跑得快壽命長里程遠，了解更對點擊藍色字體鏈接鋰電池組裝基礎知識培訓
