继钠离子电池之后，动力锂离子电池的下一位“新秀”会是谁？
八月九日，星恒电源股份有限公司（以下简称“星恒电源”）与天目湖先进储能技术研究院有限公司（TIES）携手，共同创立“双子星联合实验室”，致力于进行“耐高温、长寿命、高安全的锰酸锂材料和电池技术开发项目”研究。
如今，三元锂离子电池和磷酸铁锂离子电池在乘用车领域都拥有众多的用户。这两种动力锂离子电池成为了市场主流，为何双子星联合实验室还要聚焦锰酸锂离子电池？《我国汽车报》记者带着疑问，独家专访了TIES院长、我国科学院物理所研究员李泓。
优点和缺点都很突出
在人们的印象中，电动汽车普遍使用三元锂或磷酸铁锂离子电池，在市场上很少看到配装锰酸锂离子电池的车型，造成这种现象的原因是什么？
李泓告诉记者，大家一直比较关注电动汽车的续驶里程，动力锂离子电池的能量密度越高，单次充电续驶里程越长。三元锂离子电池的能量密度可达300Wh/kg，因此在乘用车上具有较为明显的优势地位。不过，由于要使用钴、镍等金属材料，导致它的成本高于磷酸铁锂离子电池。
随着CTP、刀片电池技术的进步以及整车对电池包体积的优化，电动汽车配装磷酸铁锂离子电池也能达到500～600公里的续驶里程，基本上能消除人们的里程焦虑。再加上其成本明显低于三元锂离子电池，而且安全性较好，近一段时间以来磷酸铁锂离子电池的产量和装机量不断扩大。
锰酸锂离子电池的能量密度不及上述两种动力锂离子电池，循环寿命、高温储存特性也存在短板。不过，它也有着突出的优点。“锰酸锂离子电池的成本比磷酸铁锂离子电池低，快充性能表现良好，低温性能也非常突出。在锂离子电池的市场竞争中，大规模应用、取得优势地位的关键还在于成本、安全等几项因素。”李泓认为。
李泓告诉记者，锰酸锂材料比磷酸铁锂的成本低20％～30％。另外，锰酸锂离子电池的电压较高，达到3.9V，磷酸铁锂离子电池为3.4V，三元锂离子电池为3.7V。电压高意味着电池PACK可以使用较少的电芯，锰酸锂离子电池包既可以少装电芯降低成本，又表现出体积优势，PACK的成本明显低于三元锂或磷酸铁锂离子电池。
锰酸锂离子电池的安全性则介于三元锂离子电池与磷酸铁锂离子电池之间。李泓指出，磷酸铁锂离子电池的安全问题重要来自负极，三元锂离子电池的安全问题来自正极的因素更加突出。锰酸锂是尖晶石结构，比层状氧化物的稳定性好，磷酸铁锂中磷酸根中的氧更难析出，稳定性强于锰酸锂离子电池。
锰酸锂离子电池有改良空间
三元锂离子电池能量密度的极限在哪里？目前，业界还没有给出准确的答案。不过，人们有关磷酸铁锂的极限值基本已形成共识，约为170mAh/g，目前其潜力挖掘已达到165mAh/g。锰酸锂的理论克容量约为144mAh/g，现有锰酸锂离子电池的克容量为114～117mAh/g，其能量密度还有较大提升空间。
锰酸锂离子电池的高温稳定性不如磷酸铁锂离子电池，但也有改进办法。据李泓介绍，他们在做固态电池的时候，把高镍三元材料表面经过固态电解质处理，可以防止氧析出以及热失控，降低表面氧化能力。对锰酸锂材料进行改性，也有机会提高电池高温稳定性；另外，在负极侧进行固态化处理，也可防止析锂及带来的副反应。
改进不仅于此，隔膜技术提高也为锰酸锂离子电池的进一步发展带来了希望——中间的隔膜经过涂层后，热收缩温度能达到较高的水平，使安全性显著提升。据悉，涂层的固态化可以改善正负极与隔膜的界面接触，有利于防止正极锰溶解后向负极扩散，发生热失控的几率将进一步降低，或显著提高热失控的温度。
李泓说：“锰酸锂离子电池改性的第一步是实现准固态化，下一步要尝试全固态。这些都实现后，锰酸锂离子电池的安全性、耐高温性能、循环性能将显著提升。”他还告诉记者，在正极材料不变的情况下，从人造石墨负极到纳米硅碳负极再到锂碳复合负极，锰酸锂离子电池电芯的能量密度能提升至240～250Wh/kg以上。未来，随着电解质耐氧化电位的提高及固态电解质的引入，其正极材料还有可能进一步升级为放电电压在4.8V，可逆容量在135mAh/g的锂镍锰氧（LiNi0.25Mn1.5O4）。这类材料与锰酸锂晶体结构一致，含镍量较低，直接与石墨匹配后的能量密度可以提升至240Wh/kg，未来与纳米硅碳等复合，有望超过280Wh/kg。另外，还有一类高锰基正极材料，其材料可逆容量高达300mAh/g以上，只是目前在循环过程中存在电压衰减明显、倍率性能相对较差、循环性不到1000次以上、高温胀气等问题，要进一步优化。
随着技术瓶颈不断突破，这些新材料一旦开发成功，将显著推动锰基正极材料的应用，从资源可持续性、降低成本、提高综合技术经济性方面考虑，有望占据更大的市场份额。
或与三元材料“结合”出更大前景
国家电动乘用车技术创新联盟技术委员会原主任、国家新能源汽车创新工程专家组原组长王秉刚曾告诉记者，日产聆风几乎没有过重大起火事故。记者查询资料后发现，该款车使用锰酸锂离子电池，与大多数电动汽车有显著差别。
李泓告诉记者，日产聆风并不单纯使用锰酸锂离子电池，而是锰酸锂与三元锂离子电池混搭使用。两种正极材料混用，不仅在汽车上存在，在其他使用场景，如消费电子产品、无人机上也常见。“锰酸锂离子电池正极中掺杂三元材料，可以通过离子交换反应，抑制锰溶解，提升锰酸锂正极材料的高温和循环性能，同时提升能量密度。”他解释说。
据悉，由于锰基电池有自己独特的优势，不仅国内多家公司涉足，AESC、LG化学、东芝、日立、LEJ等日韩公司也生产锰酸锂离子电池或在三元锂离子电池里掺杂锰酸锂材料。在今年三月举办的大众汽车“电池日”活动上，该公司就明确表示，将大力研发高锰电池。
记者了解到，双子星联合实验室的创建方之一星恒电源，曾由中科院物理所孵化，一直致力于锰酸锂离子电池的开发，已成为国内最大的锰酸锂离子电池研发与生产公司。星恒电源与TIES联合成立实验室，就是希望通过逐步导入纳米固态电解质、纳米硅碳负极、固态电解质复合隔膜等新技术，开发更耐高温、长寿命、本质安全的锰酸锂材料和电池技术，逐渐实现锰酸锂离子电池从液态到准固态，到未来争取实现全固态，从而显著提升锰酸锂离子电池的能量密度、循环寿命、安全性，同时发挥其低成本、高倍率、低温性能好的优点。“这项技术假如研发成功，在电动轻型车和电动汽车动力锂离子电池领域将具有强大的市场竞争力。”李泓说。
“随着新能源汽车补贴退坡直至取消，减少资源依赖，减少锂离子电池中钴和镍的含量甚至完全不使用钴和镍，从而减低动力锂离子电池成本，增强市场竞争力成为公司考虑的头等大事。锰酸锂离子电池以其独特的优势受到人们的重视，与改性后的三元材料结合，既改善电池包性能，又能控制成本，预计未来市场份额可达25％以上。”李泓认为。图片（来源：我国汽车报网/作者：万仁美）
