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最具潜力材料藏大招,锂电池未来何去何从?

发布时间:2017-08-08 责任编辑:susan

【导读】锂电池的发展正处于一个瓶颈期,能量密度已经接近其物理极限。我们需要新的材料或者技术去实现锂电池的突破,以下几种电池材料被业内人士一直看好,或将成为打破锂电池障碍的突破口。
 

 
1、硅碳复合负极材料
 
数码终端产品的大屏幕化、功能多样化后,对电池的续航提出了新的要求。当前锂电材料克容量较低,不能满足终端对电池日益增长的需求。
 
硅碳复合材料作为未来负极材料的一种,其理论克容量约为4200mAh/g以上,比石墨类负极的372mAh/g高出了10倍有余,其产业化后,将大大提升电池的容量。现在硅碳复合材料存在的主要问题有:
 
充放电过程中,体积膨胀可达300%,这会导致硅材料颗粒粉化,造成材料容量损失。同时吸液能力差。
 
循环寿命差。目前正在通过硅粉纳米化,硅碳包覆、掺杂等手段解决以上问题,且部分企业已经取得了一定进展。
 
2、钛酸锂
 
近年来,国内对钛酸锂的研发热情较高,钛酸锂的优势主要有:
 
循环寿命长(可达10000次以上),属于零应变材料(体积变化小于1%),不生成传统意义的SEI膜;
 
安全性高。其插锂电位高,不生成枝晶,且在充放电时,热稳定性极高;
 
可快速充电。
 
目前限制钛酸锂使用的主要因素是价格太高,高于传统石墨,另外钛酸锂的克容量很低,为170mAh/g左右。只有通过改善生产工艺,降低制作成本后,钛酸锂的长循环寿命、快充等优势才能发挥作用。结合市场及技术,钛酸锂比较适合用于对空间没有要求的大巴和储能领域。
 
3、石墨烯
 
石墨烯自2010年获得诺奖以来,广受全球关注,特别在中国。国内掀起了一股石墨烯研发热潮,其具诸多优良性能,如透光性好,导电性能优异、导热性较高,机械强度高。石墨烯在锂离子电池中的潜在应用有:
 
作负极材料。石墨烯的克容量较高,可逆容量约700mAh/g,高于石墨类负极的容量。另外,石墨烯良好的导热性能确保其在电池体系中的稳定性,且石墨烯片层间距大于石墨,使锂离子在石墨烯片层间扩散通畅,有利于提高电池功率性能。由于石墨烯的生产工艺不成熟,结构欠稳定,导致石墨烯作为负极材料仍存在一定问题,如首次放电效率较低,约65%;循环性能较差;价格较高,明显高于传统石墨负极。
 
作为正负极添加剂,可提高锂电池的稳定性、延长循环寿命、增加内部导电性能。
 
鉴于石墨烯当前的批量生产工艺不成熟、价格高昂、性能不稳定,石墨烯将率先作为正负极添加剂在锂离子电池中使用。
 
4、碳纳米管
 
碳纳米管是一种石墨化结构的碳材料,自身具有优良的导电性能,同时由于其脱嵌锂时深度小、行程短,作为负极材料在大倍率充放电时极化作用较小,可提高电池的大倍率充放电性能。
 
缺点:碳纳米管直接作为锂电池负极材料时,会存在不可逆容量高、电压滞后及放电平台不明显等问题。如Ng等采用简单的过滤制备了单壁碳纳米管,将其直接作为负极材料,其首次放电容量为1700mAh/g,可逆容量仅为400mAh/g。
 
碳纳米管在负极中的另一个应用是与其他负极材料(石墨类、钛酸锂、锡基、硅基等)复合,利用其独特的中空结构、高导电性及大比表面积等优点作为载体改善其他负极材料的电性能。
 
5、富锂锰基正极材料
 
高容量是锂电池的发展方向之一,但当前的正极材料中磷酸铁锂的能量密度为580Wh/kg,镍钴锰酸锂的能量密度为750Wh/kg,都偏低。富锂锰基的理论能量密度可达到900Wh/kg,成为研发热点。
 
富锂锰基作为正极材料的优势有:1、能量密度高;2、主要原材料丰富。由于开发时间较短,目前富锂锰基存在一系列问题:1、首次放电效率很低;2、材料在循环过程析氧,带来安全隐患;3、循环寿命很差;4、倍率性能偏低。
 
目前解决这些问题的手段有包覆、酸处理、掺杂、预循环、热处理等。富锂锰基虽然克容量优势明显,潜力巨大,但限于技术进展较慢,其大批量上市还需时间。
 
6、动力型镍钴锰酸锂材料
 
一直以来,动力电池的路线存在很大争议,因此磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料等路线都有被采用。国内动力电池路线以磷酸铁锂为主,但随着特斯拉火爆全球,其使用的三元材料路线引起了一股热潮。
 
磷酸铁锂虽然安全性高,但其能量密度偏低软肋无法克服,而新能源汽车要求更长的续航里程,因此长期来看,克容量更高的材料将取代磷酸铁锂成为下一代主流技术路线。
 
镍钴锰酸锂三元材料最有可能成为国内下一代动力电池主流材料。国内陆续推出三元路线的电动车,如北汽E150EV、江淮IEV4、奇瑞EQ、蔚蓝等,单位重量密度较磷酸铁锂电池有很大提升。
 
7、涂覆隔膜
 
隔膜对锂电池的安全性至关重要,这要求隔膜具有良好的电化学和热稳定性,以及反复充放电过程中对电解液保持高度浸润性。
 
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