關(guān)于鋰離子動(dòng)力電池研究中應(yīng)予以關(guān)注的基礎(chǔ)科學(xué)問題
來(lái)源：未知
2019-04-11 20:35
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進(jìn)一步提高電池的能量密度是動(dòng)力電池發(fā)展的主題和趨勢(shì),而關(guān)鍵材料是其基礎(chǔ).本文從鋰離子動(dòng)力電池正、負(fù)極材料,隔膜及電解液等幾個(gè)方面,對(duì)鋰離子動(dòng)力電池關(guān)鍵材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)述.開發(fā)高電壓、高容量的正極新材料成為動(dòng)力鋰離子電池比能量大幅度提升的主要途徑;負(fù)極材料將繼續(xù)朝低成本、高比能量、高安全性的方向發(fā)展,硅基負(fù)極材料將全面替代其他負(fù)極材料成為行業(yè)共識(shí).此外,本文還對(duì)鋰離子動(dòng)力電池正極、負(fù)極材料等的選擇及匹配技術(shù)、動(dòng)力電池安全性、電池制造工藝等的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析,并提出了鋰離子動(dòng)力電池研究中應(yīng)予以關(guān)注的基礎(chǔ)科學(xué)問題.
1引言
發(fā)展新能源汽車被廣泛認(rèn)為是有效應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境挑戰(zhàn)的重要戰(zhàn)略舉措.此外,對(duì)我國(guó)而言,發(fā)展新能源汽車是我國(guó)從“汽車大國(guó)”邁向“汽車強(qiáng)國(guó)”的必由之路[1].近年來(lái),新能源汽車產(chǎn)銷量呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng),全球保有量已超過(guò)130萬(wàn)輛,已進(jìn)入到規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的階段.我國(guó)也在2015年超過(guò)美國(guó)成為全球最大的新能源汽車產(chǎn)銷國(guó).以動(dòng)力電池作為部分或全部動(dòng)力的電動(dòng)汽車,因具有高效節(jié)能和非現(xiàn)場(chǎng)排放的顯著優(yōu)勢(shì),是當(dāng)前新能源汽車發(fā)展的主攻方向.為了滿足電動(dòng)汽車跑得更遠(yuǎn)、跑得更快、更加安全便捷的需求,進(jìn)一步提高比能量和比功率、延長(zhǎng)使用壽命和縮短充電時(shí)間、提升安全性和可靠性以及降低成本是動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展的主題和趨勢(shì).
近日,由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)公布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》為我國(guó)的動(dòng)力電池技術(shù)繪制了發(fā)展藍(lán)圖.該路線圖提出,到2020年,純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到350Wh/kg,2025年達(dá)到400Wh/kg,2030年則要達(dá)到500Wh/kg;近中期在優(yōu)化現(xiàn)有體系鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)滿足新能源汽車規(guī)?；l(fā)展需求的同時(shí),以開發(fā)新型鋰離子動(dòng)力電池為重點(diǎn),提升其安全性、一致性和壽命等關(guān)鍵技術(shù),同步開展新體系動(dòng)力電池的前瞻性研發(fā);中遠(yuǎn)期在持續(xù)優(yōu)化提升新型鋰離子動(dòng)力電池的同時(shí),重點(diǎn)研發(fā)新體系動(dòng)力電池,顯著提升能量密度、大幅降低成本、實(shí)現(xiàn)新體系動(dòng)力電池實(shí)用化和規(guī)?；瘧?yīng)用.
由此可見,在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),鋰離子電池仍將是動(dòng)力電池的主流產(chǎn)品.鋰離子電池具有比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好、可以兼具良好的能量密度和功率密度等優(yōu)點(diǎn),是目前綜合性能最好的動(dòng)力電池,已被廣泛應(yīng)用于各類電動(dòng)汽車中[2~7].
本文簡(jiǎn)要介紹了鋰離子動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展概況,并從鋰離子動(dòng)力電池正、負(fù)極材料,隔膜及電解液等幾個(gè)方面,對(duì)鋰離子動(dòng)力電池關(guān)鍵材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)述.本文還對(duì)鋰離子動(dòng)力電池正、負(fù)極材料的選擇及匹配技術(shù)、動(dòng)力電池安全性、電池制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析,并提出了鋰離子動(dòng)力電池研究中應(yīng)予以關(guān)注的基礎(chǔ)科學(xué)問題.
1引言
發(fā)展新能源汽車被廣泛認(rèn)為是有效應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境挑戰(zhàn)的重要戰(zhàn)略舉措.此外,對(duì)我國(guó)而言,發(fā)展新能源汽車是我國(guó)從“汽車大國(guó)”邁向“汽車強(qiáng)國(guó)”的必由之路[1].近年來(lái),新能源汽車產(chǎn)銷量呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng),全球保有量已超過(guò)130萬(wàn)輛,已進(jìn)入到規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的階段.我國(guó)也在2015年超過(guò)美國(guó)成為全球最大的新能源汽車產(chǎn)銷國(guó).以動(dòng)力電池作為部分或全部動(dòng)力的電動(dòng)汽車,因具有高效節(jié)能和非現(xiàn)場(chǎng)排放的顯著優(yōu)勢(shì),是當(dāng)前新能源汽車發(fā)展的主攻方向.為了滿足電動(dòng)汽車跑得更遠(yuǎn)、跑得更快、更加安全便捷的需求,進(jìn)一步提高比能量和比功率、延長(zhǎng)使用壽命和縮短充電時(shí)間、提升安全性和可靠性以及降低成本是動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展的主題和趨勢(shì).
近日,由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)公布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》為我國(guó)的動(dòng)力電池技術(shù)繪制了發(fā)展藍(lán)圖.該路線圖提出,到2020年,純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到350Wh/kg,2025年達(dá)到400Wh/kg,2030年則要達(dá)到500Wh/kg;近中期在優(yōu)化現(xiàn)有體系鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)滿足新能源汽車規(guī)?；l(fā)展需求的同時(shí),以開發(fā)新型鋰離子動(dòng)力電池為重點(diǎn),提升其安全性、一致性和壽命等關(guān)鍵技術(shù),同步開展新體系動(dòng)力電池的前瞻性研發(fā);中遠(yuǎn)期在持續(xù)優(yōu)化提升新型鋰離子動(dòng)力電池的同時(shí),重點(diǎn)研發(fā)新體系動(dòng)力電池,顯著提升能量密度、大幅降低成本、實(shí)現(xiàn)新體系動(dòng)力電池實(shí)用化和規(guī)?；瘧?yīng)用.
由此可見,在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),鋰離子電池仍將是動(dòng)力電池的主流產(chǎn)品.鋰離子電池具有比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好、可以兼具良好的能量密度和功率密度等優(yōu)點(diǎn),是目前綜合性能最好的動(dòng)力電池,已被廣泛應(yīng)用于各類電動(dòng)汽車中[2~7].
本文簡(jiǎn)要介紹了鋰離子動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展概況,并從鋰離子動(dòng)力電池正、負(fù)極材料,隔膜及電解液等幾個(gè)方面,對(duì)鋰離子動(dòng)力電池關(guān)鍵材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)述.本文還對(duì)鋰離子動(dòng)力電池正、負(fù)極材料的選擇及匹配技術(shù)、動(dòng)力電池安全性、電池制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析,并提出了鋰離子動(dòng)力電池研究中應(yīng)予以關(guān)注的基礎(chǔ)科學(xué)問題.
4.1.1正極、負(fù)極材料等的選擇及匹配技術(shù)
鋰離子動(dòng)力電池的壽命、安全性和成本等基本性能很大程度上取決于其電極材料體系的選擇和匹配.因此如何選擇高比能量、長(zhǎng)壽命、高安全、低成本的材料體系是當(dāng)前鋰離子動(dòng)力電池的重要技術(shù).
4.1.2動(dòng)力電池安全性
安全性是決定動(dòng)力電池能否裝車應(yīng)用的先決條件
.圖7包覆上耐高溫聚多巴胺保護(hù)層的SiO2陶瓷隔膜[98].(a)隔膜結(jié)構(gòu)及合成示意圖;(b)隔膜形貌表征;(c)隔膜熱收縮性能對(duì)比(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)
圖8鋰離子動(dòng)力電池關(guān)鍵材料技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)
隨著鋰離子電池能量密度的逐步提升,電池安全性問題無(wú)疑將更加突出.導(dǎo)致鋰離子電池安全性事故發(fā)生的根本原因是熱失控,放熱副反應(yīng)釋放大量的熱及有機(jī)小分子氣體,引起電池內(nèi)部溫度和壓力的急劇上升;而溫度的急劇上升反過(guò)來(lái)又會(huì)呈指數(shù)性加速副反應(yīng),產(chǎn)生更大量的熱,使電池進(jìn)入無(wú)法控制的熱失控狀態(tài),導(dǎo)致電池終發(fā)生爆炸或燃燒[101,102].高比能的NCM和NCA三元正極、錳基固熔體正極均較LFP材料的熱穩(wěn)定性差,使人們?cè)诎l(fā)展高能量密度動(dòng)力電池的同時(shí)不得不更加關(guān)注安全問題[103].解決電池安全性問題至少需要從兩方面著手:(1)防止短路和過(guò)充,以降低電池?zé)崾Э氐囊l(fā)幾率;(2)發(fā)展高靈敏性的熱控制技術(shù),阻止電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生[104].
4.1.3電池制造工藝
隨著動(dòng)力電池應(yīng)用的不斷加深,單體電池向著大型化、易于成組的方向發(fā)展.在這一過(guò)程中,單體電池的制造技術(shù)尤為重要.提高產(chǎn)品一致性,從而使電池成組后的安全性、壽命更高,使其制造成本更低將是未來(lái)鋰離子電池制造工藝的發(fā)展方向.(1)開發(fā)生產(chǎn)設(shè)備高效自動(dòng)化技術(shù),研發(fā)高速連續(xù)合漿、涂布、輥切制片、卷繞/疊片等技術(shù),可以降低生產(chǎn)成本;(2)開展自動(dòng)測(cè)量及閉環(huán)控制技術(shù)研發(fā),提高電池生產(chǎn)過(guò)程測(cè)量技術(shù)水平,實(shí)現(xiàn)全過(guò)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)質(zhì)量檢測(cè),實(shí)現(xiàn)工序內(nèi)以及全線質(zhì)量閉環(huán)控制,保證產(chǎn)品一致性、可靠性;(3)建立自動(dòng)化物流技術(shù)開發(fā),實(shí)現(xiàn)工序間物料自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn),減少人工干預(yù);(4)開展智能化生產(chǎn)控制技術(shù)研發(fā),綜合運(yùn)用信息控制、通訊、多媒體等技術(shù),開發(fā)有效的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制及制造執(zhí)行系統(tǒng),最大程度地提高生產(chǎn)效率,降低人工成本.
4.2鋰離子動(dòng)力電池的基礎(chǔ)科學(xué)問題
4.2.1研究電極反應(yīng)過(guò)程、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、界面調(diào)控等基礎(chǔ)科學(xué)問題
目前,元素?fù)诫s、包覆等方法被廣泛應(yīng)用于材料改性,但究其原因往往“知其然不知其所以然”,如LFP可以通過(guò)異價(jià)鋰位摻雜顯著提高電子導(dǎo)電性,但其究竟是晶格摻雜還是通過(guò)表面滲透還存在爭(zhēng)議.另外,一般認(rèn)為L(zhǎng)FP較低的電子導(dǎo)電性和離子擴(kuò)散特性是導(dǎo)致倍率特性不佳的主要原因,但研究表明,鋰離子在電極/電解液界面的傳輸也是影響LFP倍率特性的重要因素.通過(guò)改善界面的離子傳輸特性,可以獲得更好的倍率特性.因此深入研究電極上的表面電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理,尤其是關(guān)于SEI膜的形成、性質(zhì)以及電極與電解液的相互作用等,可以明確材料的結(jié)構(gòu)演化機(jī)制和性能改善策略,為材料及電池性能的改善提供理論指導(dǎo)[6].
4.2.2發(fā)展電極表界面的原位表征方法
鋰離子電池電極材料的性能主要取決于其組成及結(jié)構(gòu).通過(guò)原位表征技術(shù)系統(tǒng)研究材料的組成-結(jié)構(gòu)-性能間構(gòu)效關(guān)系對(duì)深入了解電極材料的反應(yīng)機(jī)理,優(yōu)化材料組成與結(jié)構(gòu)以提高其性能及指導(dǎo)高性能新材料開發(fā)與應(yīng)用均有十分重要意義[105,106].例如,原位Raman光譜可以通過(guò)晶格(如金屬-氧配位結(jié)構(gòu))振動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)材料的結(jié)構(gòu)變化,為找尋材料結(jié)構(gòu)劣化原因提供幫助[107~109].同步輻射技術(shù)不僅可通過(guò)研究電極材料中原子周圍化學(xué)環(huán)境,獲取電極材料中組成元素的氧化態(tài)、局域結(jié)構(gòu)、近鄰配位原子等信息,還可原位獲得電池充放電過(guò)程電極材料的結(jié)構(gòu)演化、過(guò)渡金屬離子氧化態(tài)以及局域結(jié)構(gòu)變化等信息,精確揭示電池反應(yīng)機(jī)理[110,111];固體核磁共振譜(NMR)則可提供固態(tài)材料的局域結(jié)構(gòu)信息,得到離子擴(kuò)散相關(guān)的動(dòng)力學(xué)信息[112,113].
電池剩余電量用完再充的原則并不是要你走向極端。和長(zhǎng)充電一樣流傳甚廣的一個(gè)說(shuō)法，就是“盡量把手機(jī)電池的電量用完，最好用到自動(dòng)關(guān)機(jī)”。這種做法其實(shí)只是鎳電池上的做法，目的是避免記憶效應(yīng)發(fā)生，不幸的是它也在鋰電池上流傳之今。曾經(jīng)有人因?yàn)槭謾C(jī)電池電量過(guò)低的警告出現(xiàn)后，仍然不充電繼續(xù)使用一直用到自動(dòng)關(guān)機(jī)的例子。結(jié)果這個(gè)例子中的手機(jī)在后來(lái)的充電及開機(jī)中均無(wú)反應(yīng)，不得不送客服檢修。這其實(shí)就是由于電池因過(guò)度放電而導(dǎo)致電壓過(guò)低，以至于不具備正常的充電和開機(jī)條件造成的。
3、對(duì)鋰電池手機(jī)的正確做法
歸結(jié)起來(lái)，我對(duì)鋰電池手機(jī)在使用中的充放電問題最重要的提示是：
1、按照標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間和程序充電，即使是前三次也要如此進(jìn)行；
2、當(dāng)出現(xiàn)手機(jī)電量過(guò)低提示時(shí)，應(yīng)該盡量及時(shí)開始充電；
3、鋰電池的激活并不需要特別的方法，在手機(jī)正常使用中鋰電池會(huì)自然激活。如果你執(zhí)意要用流傳的“前三次12小時(shí)長(zhǎng)充電激活”方法，實(shí)際上也不會(huì)有效果。
因此，所有追求12小時(shí)超長(zhǎng)充電和把鋰電池手機(jī)用到自動(dòng)關(guān)機(jī)的做法，都是錯(cuò)誤的。如果你以前是按照錯(cuò)誤的說(shuō)法做的，請(qǐng)你及時(shí)改正，也許為時(shí)還不晚。
當(dāng)然，在手機(jī)及充電器自身保護(hù)和控制電路質(zhì)量良好的情況下，對(duì)鋰電池的保護(hù)還是有相當(dāng)保證的。所以對(duì)充電規(guī)則的理解才是重點(diǎn)，在某些情況下也是可以做出某種讓步的。比如你發(fā)現(xiàn)手機(jī)在你夜晚睡覺前必須充電的話，你也可以在睡前開始充電。問題的關(guān)鍵在于，你應(yīng)該知道正確的做法是什么，并且不要刻意按照錯(cuò)誤的說(shuō)法去做。
5結(jié)論
鋰離子動(dòng)力電池是目前最具實(shí)用價(jià)值的動(dòng)力電池,近幾年在產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展迅速,有力地支撐了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.然而,鋰離子動(dòng)力電池仍然存在許多有待解決的應(yīng)用問題,特別是續(xù)航能力、安全性、環(huán)境適應(yīng)性和成本,需要在動(dòng)力電池基礎(chǔ)材料、電池制造和系統(tǒng)技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈上同時(shí)進(jìn)行研究.可以預(yù)期相關(guān)技術(shù)將在近年內(nèi)取得長(zhǎng)足進(jìn)步并實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用.隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展,鋰離子動(dòng)力電池將迎來(lái)爆發(fā)增長(zhǎng)的黃金期.
