哪些因素會對鋰電池循環(huán)次數有影響？如何降低負面影響？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-25 09:35
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在過去的20多年時間里，鋰離子電池已經在消費電子領域取得了巨大的成功，而如今鋰離子電池又開啟了一個全新的領域——動力電池。目前動力電池的發(fā)展經過了兩個階段，在動力電池發(fā)展的初期，出于安全和成本的考慮磷酸鐵鋰電池占據了絕對領先地位，后隨著國家補貼政策的調整，在乘用車領域以三元／石墨體系為代表的高能量密度鋰離子電池逐漸占了上風，而在大巴車等領域磷酸鐵鋰仍然占主導地位，轉型的過程是痛苦的，一些沒有及時調整產品結構的廠家逐漸被市場淘汰，抓住風口的CATL則接著這股東風成功起飛。
隨著動力電池能量密度的持續(xù)提高，以三元／石墨或者三元／硅碳為代表的高比能電池體系逐漸發(fā)展到了瓶頸期，目前主流三元／石墨體系方形動力電池能量密度大約在240Wh/kg左右，采用硅碳后能量密度可以提高到260Wh/kg以上，但是仍然無法滿足乘用車長續(xù)航里程（1000km）的需求，需求是變革的驅動力，動力電池的下一個風口即將到來。
下一代動力電池的候選者包括Li-O2、Li-S和全固態(tài)鋰金屬電池，其中全固態(tài)鋰金屬電池憑借著優(yōu)異的安全性能得到了包括崔屹、Goodenough等大神級科研工作者的力挺。近日，崔屹、Goodenough等大神們在NatureEnergy上發(fā)文共同探討了Li金屬電池實現350-500Wh/kg的技術路徑。
高比能電池的設計需要首先從高性能的正負極材料選擇開始，負極材料Li金屬（3860mAh/g，-3.04Vvs標準氫電極）無疑是最為合適的負極材料選擇，高鎳三元材料是目前大規(guī)模應用的容量最高的正極材料（最高可達200mAh/g），因此Li／高鎳三元體系是目前最佳的實現500Wh/kg的材料體系。下圖對比了不同的電池參數最終得到的電池能量密度，其中第一個柱形圖作為基準對照組，其正極采用NCM622材料，正極厚度為70um，孔隙率35%，電解液量為3.0g/Ah，根據計算在這一體系下電池的重量能量密度最高能夠達到350Wh/kg，如果我們進一步降低電解液的比例到2.4g／Ah（第二個柱形圖），則電池的能量密度還能夠進一步提升到370Wh/kg左右，如果我們進一步降低正極孔隙率（25%）和電解液比例（2.1g/Ah），則電池的能量密度還會進一步提升，但是注液量過少會對金屬鋰電池的循環(huán)產生負面影響。
如果要實現400Wh/kg的能量密度則我們還需要進一步的提升正極材料的容量到220mAh/g，這就需要三元材料的Ni含量達到0.9左右，目前商業(yè)化的三元材料還未見到類似的產品。在電池中非活性物質例如集流體、包裝結構等在電池重量中占據了非常大的比重，因此如果能夠將這些非活性物質的重量降低50%則能夠進一步將電池的能量密度提高到500Wh/kg。如果正極材料的容量能夠進一步提升至252mAh/g，則電池的能量密度還能夠進一步的提升達到550Wh/kg左右。
隨著動力電池能量密度的持續(xù)提高，以三元／石墨或者三元／硅碳為代表的高比能電池體系逐漸發(fā)展到了瓶頸期，目前主流三元／石墨體系方形動力電池能量密度大約在240Wh/kg左右，采用硅碳后能量密度可以提高到260Wh/kg以上，但是仍然無法滿足乘用車長續(xù)航里程（1000km）的需求，需求是變革的驅動力，動力電池的下一個風口即將到來。
下一代動力電池的候選者包括Li-O2、Li-S和全固態(tài)鋰金屬電池，其中全固態(tài)鋰金屬電池憑借著優(yōu)異的安全性能得到了包括崔屹、Goodenough等大神級科研工作者的力挺。近日，崔屹、Goodenough等大神們在NatureEnergy上發(fā)文共同探討了Li金屬電池實現350-500Wh/kg的技術路徑。
高比能電池的設計需要首先從高性能的正負極材料選擇開始，負極材料Li金屬（3860mAh/g，-3.04Vvs標準氫電極）無疑是最為合適的負極材料選擇，高鎳三元材料是目前大規(guī)模應用的容量最高的正極材料（最高可達200mAh/g），因此Li／高鎳三元體系是目前最佳的實現500Wh/kg的材料體系。下圖對比了不同的電池參數最終得到的電池能量密度，其中第一個柱形圖作為基準對照組，其正極采用NCM622材料，正極厚度為70um，孔隙率35%，電解液量為3.0g/Ah，根據計算在這一體系下電池的重量能量密度最高能夠達到350Wh/kg，如果我們進一步降低電解液的比例到2.4g／Ah（第二個柱形圖），則電池的能量密度還能夠進一步提升到370Wh/kg左右，如果我們進一步降低正極孔隙率（25%）和電解液比例（2.1g/Ah），則電池的能量密度還會進一步提升，但是注液量過少會對金屬鋰電池的循環(huán)產生負面影響。
如果要實現400Wh/kg的能量密度則我們還需要進一步的提升正極材料的容量到220mAh/g，這就需要三元材料的Ni含量達到0.9左右，目前商業(yè)化的三元材料還未見到類似的產品。在電池中非活性物質例如集流體、包裝結構等在電池重量中占據了非常大的比重，因此如果能夠將這些非活性物質的重量降低50%則能夠進一步將電池的能量密度提高到500Wh/kg。如果正極材料的容量能夠進一步提升至252mAh/g，則電池的能量密度還能夠進一步的提升達到550Wh/kg左右。
