动力锂电池现状及未来发展趋势

2018-12-20      730 次浏览

全球新能源汽车这几年进入了高速增长的快车道,也在整个行业发展中,呈现了爆发式增长。而新能源汽车所用的动力电池主要是动力锂电池,而锂电池中最核心、成本占比最高的材料是正极材料,正极材料主要以磷酸铁锂和三元材料为主,且三元材料的占比越来越大。动力锂电池需求旺盛,正极材料成为关键原材料,以下江门长优实业总结了动力电池正极材料现状及未来发展的几个特点。


动力电池正极材料目前市场具有的三个特点。


动力电池正极材料体系多元化。目前市场上的动力电池正极材料主要有锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂和镍钴二元材料体系,不同的材料体系各有特点,有着各自的应用领域和市场需求。


锰酸锂由于其稳定性和较低的成本优势也得到了广泛的应用,在取代铅酸电池和低速物流车等领域占有较大份额。但是其主要缺点是较差的循环性能,原因是在Li脱出的过程中其层状结构有变为尖晶石结构的趋势和循环过程中Mn的溶解的不利影响。


磷酸铁锂是目前市场上较常用的动力电池材料。其主要缺点是较低的电位和较差的离子导电性,但这种材料拥有良好的热稳定性和功率性能,因此在商用车、专用车等领域占据一定地位。


镍钴锰酸锂和镍钴二元材料是近年来在动力市场占比提升。其拥有成本低、安全性好、电池寿命长等优点,基于对体积比能量的不断追求,越来越多的电动物流车和乘用车都选用这类材料。


动力电池正极材料需求的个性化。新能源汽车市场发展初期,厂商对动力电池及材料的要求都各有不同。汽车厂商重点考虑电池管理系统配套和应用环境的差异,对电池性能要求也存在较大差异,部分厂家对电池的高温循环要求较为苛刻、部分厂家更为关注低温循环寿命,还有部分厂家更关注快充性能等方面。


动力电池正极材料市场多变化。2016年三元电池的“遭遇”可谓跌宕起伏,时而被否定,时而受追捧。新的补贴首次在产品技术要求上提出以电池能量密度作为参考指标,三元材料得以“解禁”。在更高能量密度的发展方向上,高镍三元材料无疑会成为今后一段时间研发和产业化的热点。


新能源电动汽车的快速发展对动力锂电池的性能提出了更高要求。《节能与新能源汽车规划(2012-2020)》中提出,到2020年,动力电池能量密度提高到300Wh/kg以上。而目前使用的磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料动力电池均达不到要求。这就需要开发更高能量密度的正极材料,未来可能的材料有正硅酸盐复合正极材料、层状富锂锰基材料、硫基正极材料等。


正硅酸盐复合正极材料


正硅酸盐是一种新型的正极材料,其在理论上可以允许2个Li的交换,因此具有较高的理论比容量,比容量高达300mAh/g以上,已经有研究者制备出在45±5条件下放电比容量高达340mAh/g的Li2MSiO4材料[10]。此外,Si-O键使得该材料具有良好的安全性能。Li2MSiO4高的理论比容量和优异的安全性等优点,使其在动力锂电池领域具有很大的发展前途。


Li2MSiO4由于其理论的高容量受到广泛的关注,但是还有大量的工作需要做。虽然Li2MSiO4从理论上可以释放出2个Li,但由于释放出第2个Li的电压较高,所以实际比容量只有150mAh/g左右。另外,Li2MSiO4具有电子导电率和离子扩散速率低等缺点,也限制了其商业化。目前常用的解决方法是将材料合成为纳米材料、进行掺杂、进行碳包覆等,但仍需进行深入研究。


层状富锂锰基材料


层状富锂锰基复合正极材料理论上具有接近300mAh/g的放电比容量、同时还兼具原材料价格廉价的优点,是当前最有可能使动力电池能量密度达到300Wh/kg的正极材料体系。目前,国内外对层状富锂锰基固溶体材料的开发还处于试验阶段,对材料的复杂结构和独特电化学性能等正在深入研究,寻求适合工业化生产的合成方法。已有研究者制备出高性能的层状富锂锰基固溶体材料,在2.5~4.8V下,以0.2C放电,容量达271.5mAh/g,100次循环后仍高达214.6mAh/g,在高倍率(20C)下放电,首次放电容量仍可达到155.4mAh/g,具有较高的容量和较好的倍率性能。我国“863”计划项目对富锂锰基固溶体材料电池的开发的支持目标为:比能量密度>260Wh/kg、循环100周容量保持率>80%。国内如当升科技研究出的富锂锰基固溶体材料0.1C容量达250mAh/g以上,通过特定的包覆工艺改善了材料的循环性能,并降低了首次不可逆容量损失,目前正在进一步研究。


硫基正极材料


随着电动汽车对动力电池提出更高要求,当前的锂离子电池由于理论比容量的限制很难达到要求。而以硫为正极的锂硫电池,能量密度理论上高达2600Wh/kg,是现有动力电池的10倍以上,有望显著提高电动汽车的续航里程。此外硫还具有价格低廉、储量丰富、无毒等优点,是优良的储能材料,在减少化石燃料的使用以及减轻温室效应等方面将有非常光明的前景。因此,硫基材料受到了广泛的关注。


单质硫是目前比容量最高的正极材料,其理论质量比容量高达1675mAh/g。但是,单质硫的室温电子电导率低(5.0×10?30S/cm,25),为电子绝缘体,不能单独作为正极。其充放电过程中体积会发生膨胀,放电过程中产生的多硫离子会溶解发生扩散迁移,这些都制约了硫基材料的进一步发展应用。


目前,已经规模化应用的动力锂电正极材料,在国内以磷酸铁锂为主,在国外以锰酸锂和三元材料为主,这3种材料在各自应用领域都有相应的优势。磷酸铁锂和锰酸锂材料在基础研究方面已经没有较大技术突破,其能量密度和各种主要技术指标已接近应用极限。而三元材料由于具有高能量密度、长循环寿命、较高的可靠性与一致性以及适中的成本等优点,已成为动力锂电正极材料的主流,并将持续提升动力电池的能量密度。


随着我国新能源汽车进入爆发式增长阶段,作为动力锂电池核心的正极材料,将迎来巨大的发展机遇。作为动力电池正极材料生产单位的江门长优实业也表示今后也会积极配合动力电池企业发展,并在今后的发展中会努力的提升自己。

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