动力电池产业化发展的途径要依靠什么技术来实现?

2019-11-22      687 次浏览

动力电池产业化发展的路径

随着不同技术路线动力电池产品工程化、商业化发展,锂离子动力电池技术正朝着更高的能量密度、循环寿命等指标逐渐进步。其中,正极材料采用高镍三元材料,负极加入纳米硅形成硅碳负极材料,电解质逐渐由液态发展为固态,以实现更高的锂电池能量密度产品与相关市场领域产业化。

3.1高镍三元正极材料

3.1.1技术原理、优缺点

三元材料目前是高能量密度动力电池最优选择。高镍三元短期内正在成为动力电池应用主流。三元材料结合了镍(提升电池容量)、钴(提高离子导电性)、锰(稳定结构)的性能优势,是近阶段高能量密度、高性能和低成本的主流产品。到2020年,我国高镍三元锂电池产业化能量密度指标是300Wh/kg,力争实现350Wh/kg。

高镍三元材料在技术方面仍存在一定的缺点。一是高镍三元材料的镍比例提升,加剧镍锂离子混排,降低了放电比容量;二是镍在脱嵌锂过程中相变导致体积变化,降低了材料结构稳定性,进而导致循环寿命下降;三是碳酸锂等杂质在高镍正极材料上更易形成,高温环境会导致胀气,杂质与电解液发生副反应,最终导致循环寿命下降,;四是镍含量的增加产生热量,使得正极材料热稳定性下降;五是高镍三元材料表面杂质增加,电解液配方优化方案目前仍属难题。

3.1.2研发及产业化、主要研发企业

国际方面,松下、三星SDI、LG化学等企业高镍三元电池已经实现量产(松下镍钴铝三元材料电池配套特斯拉车型,镍、钴、铝比例为8:1.5:0.5,单体电芯能量密度为300Wh/kg)。

国内方面,目前企业普遍在研发三元材料622体系、811体系技术,尚未大规模量产。宁德时代、比亚迪、力神、国轩高科等行业领先企业在高镍三元锂电池研发方面已取得进展。比亚迪、中航锂电、比克电池的正极材料采用高镍三元材料,负极材料选用纳米硅材料体系,2020年能量密度拟提升到300Wh/kg。宁德时代高能量密度电芯采用高镍三元/硅碳材料体系,计划2020年达300Wh/kg。国轩高科、中电力神、亿纬锂能的高能量密度电芯采用高镍三元正极和硅基负极材料体系,计划2020年达300Wh/kg。

3.2硅碳负极材料

3.2.1技术原理、优缺点

纳米硅与石墨形成的硅碳负极材料,能够有效提升锂电池的克容量,进一步实现更高的能量密度。从目前已产品化的硅碳负极材料性能来看,相比于石墨负极材料而言,硅碳负极材料最大的优势在于比容量的提升。硅碳负极材料的最低比容量均都超过石墨负极材料的理论比容量。石墨的理论能量密度是372mAh/g,硅负极的理论能量密度高达4200mAh/g。

尽管如此,硅碳负极材料目前仍存在缺点,一是硅体积在充放电的过程产生体积膨胀100%~300%,一定程度上影响电导率。二是硅为半导体,导电性与石墨存在差距,在锂离子脱嵌过程中不可逆程度大,首次库伦效率发生下降。

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