詳解鋰離子電池材料有哪些？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-26 13:55
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在特斯拉的Model S上使用的NCR18650B比之前Roadster所使用的鈷酸鋰電池比能量高出三成，區(qū)別來源于結(jié)構(gòu)的不同，它以鎳鈷鋁三元材料為正極材料，以石墨為負(fù)極材料，以六氟磷酸鋰為電解液。最終達(dá)到比能量更大，穩(wěn)定性、一致性更好的效果。此外，單體電池尺寸小但可控性高，可降低單個(gè)電池發(fā)生故障帶來的影響，即使電池組的某個(gè)單元發(fā)生故障，也不會(huì)對(duì)電池整體性能產(chǎn)生影響。
鋰電池的構(gòu)造多種多樣，松下三元電池只是其中的一種，以下我們將主要從鋰電池的五大核心部件詳細(xì)解析鋰電池。
正極材料
正極材料決定了鋰離子電池的主要性質(zhì)，如能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性等。正極材料目前主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等。目前來看，鋰電池正極遵循著從二元材料向三元材料的發(fā)展趨勢(shì)。松下NRC18650B的正極材料是鎳鈷鋁三元材料，俗稱NCA。
通過引入Ni含量可提高材料的容量，而松下NRC18650B正是提高了Ni含量(摩爾分?jǐn)?shù)80%)從而使電池從原來的2.9Ah提高到了3.3Ah左右，能量密度大大提升。同時(shí)受益于三元協(xié)同效應(yīng)，NCA正極材料綜合了LiNiO2和LiCoO2諸多優(yōu)點(diǎn)，性能比使用單一材料優(yōu)越。而且，該材料用鈷量較少，成本較低。
從目前市場(chǎng)角度上看，磷酸鐵鋰和三元材料為國(guó)內(nèi)最主流的兩種正極材料，由于對(duì)磷酸鐵鋰電池的需求量較大，磷酸鐵鋰的市場(chǎng)占有率更高一些，但三元材料以較為迅猛的勢(shì)頭逐漸發(fā)展，成為未來的趨勢(shì)。
無論是磷酸鐵鋰正極材料還是三元正極材料，都離不開碳酸鋰。以特斯拉Model S為例測(cè)算一輛新能源汽車的碳酸鋰當(dāng)量需求：松下NCR18650電池單體重量44g，松下官網(wǎng)說明18650電池中正極材料重量占比20~35%，假設(shè)其正極材料在30%左右，則重量為15克左右。NCA化學(xué)式Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)xO2，經(jīng)過測(cè)算x=0.845，分子量為87.5;碳酸鋰分子式Li2CO3，分子量為74。按鋰元素一比一，兩者重量比是74：(87.5×2)=0.423：1。
可知其中1克鋰鈷鎳鋁三元正極材料需要0.423克碳酸鋰。則生產(chǎn)一節(jié)18650NCA三元電池正極材料需要15*0.423=6.345g碳酸鋰。一輛ModelS使用了7104節(jié)18650電池，折合碳酸鋰當(dāng)量=7104*6.345g=45.1kg，再加上電解液六氟磷酸鋰對(duì)碳酸鋰的需求和工業(yè)耗損，預(yù)計(jì)一輛ModelS對(duì)碳酸鋰當(dāng)量需求在60kg左右，折合耗用量為0.73kg/kWh。
按照同樣的思路進(jìn)行計(jì)算，我們估計(jì)松下三元電池的鎳元素耗用量約為0.53kg/kWh。
此外，鈷元素也是NCA和NCM三元材料必不可少的上游原料，隨著三元材料對(duì)碳酸鐵鋰的替代趨勢(shì)越來越明朗，鈷需求也隨之水漲船高。NCA三元材料中鈷元素需求量約為0.14kg/kWh。
負(fù)極材料
石墨仍為負(fù)極材料首選
鋰離子電池的負(fù)極是由負(fù)極活性物質(zhì)碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)干燥、滾壓而成。負(fù)極材料是鋰離子電池儲(chǔ)存鋰的主體，使鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出。
負(fù)極材料主要分為以下三類：碳材料(石墨類)、金屬氧化物材料以及合金材料。松下NCR18650B電池的負(fù)極材料采用石墨材料。
動(dòng)力電池市場(chǎng)爆發(fā)以來，相比于其他材料而言，負(fù)極材料價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，技術(shù)路線以石墨類為主，不存在很大的爭(zhēng)議。中國(guó)電池網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，以動(dòng)力鋰電池為例，一輛大約需要40千克負(fù)極材料，折合石墨耗用量約為0.9kg/kWh。目前負(fù)極材料主要以天然石墨和人造石墨為主，兩者性能有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。
碳材料發(fā)展最前沿的產(chǎn)品就是石墨烯，它是目前為止發(fā)現(xiàn)的最薄的層狀材料，以石墨烯作為負(fù)極材料可以加大電池的容量。傳統(tǒng)石墨材料的能量密度上限(石墨烯)在372mAh/g，較當(dāng)前正極材料的能量密度還有相當(dāng)?shù)脑Ａ?。未來提高?dòng)力電池能量密度仍是新能源汽車動(dòng)力方面的關(guān)鍵，盡管價(jià)格昂貴或技術(shù)尚不成熟，鈦酸鋰以及硅基復(fù)合材料等高端負(fù)極材料也逐漸步入負(fù)極材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
硅基負(fù)極：鋰電負(fù)極變革趨勢(shì)
Si基負(fù)極材料最大的優(yōu)勢(shì)在于極高的理論能量密度(4200mAh/g)，遠(yuǎn)高于石墨。這也符合新能源汽車對(duì)電池的要求。從目前趨勢(shì)上看，未來負(fù)極材料的發(fā)展方向先向硅基+石墨，最后將由純硅/金屬鋰完全取代低能量密度的石墨。
硅基負(fù)極材料最大的不足就是膨脹問題，充電后易膨脹碎裂，無法復(fù)原，導(dǎo)致材料最終出現(xiàn)粉末化，大大縮短了電池壽命。
在充放電過程中會(huì)有300%的膨脹，而相同條件下石墨只有7%。目前松下最新研發(fā)的碳硅基復(fù)合材料負(fù)極中硅的含量達(dá)到了10%，可以看出隨著技術(shù)水平的進(jìn)步還有很大的發(fā)展空間。
負(fù)極集流體：鋰電銅箔
按生產(chǎn)工藝不同，銅箔又分為壓延銅箔和電解銅箔，壓延銅箔一般用作建筑裝飾材料。由于銅箔的導(dǎo)電性良好、質(zhì)地較軟、延展性好易加工變形，它也是制作鋰電池負(fù)極集流體的首選材料。鋰離子電池集流體的功用是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來，以便形成較大的電流輸出，因此集流體應(yīng)有較低的比表面能從而易于與活性物質(zhì)充分接觸，且有著優(yōu)良的導(dǎo)電性。
目前，國(guó)內(nèi)外大部分鋰電池生產(chǎn)廠家都采用電解銅箔作為鋰電池的負(fù)極集流體。近年來，新能源汽車快速發(fā)展，導(dǎo)致新能源汽車所需的鋰電池的需求量也快速增大，而銅箔是鋰電池的重要原材料，其需求量當(dāng)然也隨之增大，所以新能源汽車的發(fā)展帶動(dòng)了鋰電銅箔的發(fā)展，對(duì)整個(gè)銅箔產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了不可忽視的影響。
新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致我國(guó)銅箔產(chǎn)品產(chǎn)銷結(jié)構(gòu)的巨變，鋰電銅箔的產(chǎn)能由2015年的5.9萬(wàn)噸上升至2016年的7.03萬(wàn)噸;產(chǎn)量占比從2013年的10.35%上升至2016年的20.2%。在2013年以前，鋰電銅箔主要應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品等消費(fèi)性電子產(chǎn)品，而之后才慢慢應(yīng)用于動(dòng)力電池，占比慢慢提高。
在鋰電池中，銅箔的耗用量大致為0.9kg/kWh。根據(jù)銅冠銅箔的數(shù)據(jù)，2016年我國(guó)的鋰電銅箔的產(chǎn)能為7.03萬(wàn)噸，而2017年鋰電銅箔的需求將上升至8萬(wàn)噸，供給缺口明顯。由于新建鋰電銅箔項(xiàng)目建設(shè)周期較長(zhǎng)，約為24個(gè)月，想要彌補(bǔ)缺口的難度非常大，銅箔加工費(fèi)在剛性需求的支撐下持續(xù)上漲。
電解液
電解液，是鋰離子電池中是作為帶動(dòng)鋰離子流動(dòng)的載體，對(duì)鋰電池的運(yùn)行和安全性具有舉足輕重的作用。鋰離子電池的工作原理也就是其充放電的過程，表現(xiàn)為鋰離子在正負(fù)極之間的穿梭，而電解液正是鋰離子流動(dòng)的介質(zhì)。
根據(jù)中國(guó)電池網(wǎng)的推算，在電解液的成本構(gòu)成中，溶劑約占30%，添加劑約占10%，最主要的成分溶質(zhì)約占60%。市場(chǎng)上的溶質(zhì)以六氟磷酸鋰(LiPF6)為主，松下NCR18650電池也選用了六氟磷酸鋰作為溶質(zhì)，每kWh鋰電池需要0.15kg的六氟磷酸鋰。六氟磷酸鋰同樣可以通過碳酸鋰制備。
