李師

摘 要：作為未來很長時間內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展方向，新能源汽車在最近幾年得到了飛速發(fā)展，動力電池是新能源汽車的動力源泉，而在對動力電力進行研究的過程中，長壽命動力鋰離子電池是研究的重點。本文從我國動力鋰離子電池的研究現(xiàn)狀出發(fā)，就其關(guān)鍵技術(shù)進行了分析和討論，希望能夠為長壽命動力鋰離子電池的研究提供一些參考。

關(guān)鍵詞：長壽命;動力;鋰離子電池;關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

21世紀，新能源技術(shù)和可再生能源技術(shù)是備受矚目的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其中電化學電源體系的主要發(fā)展方向為大容量、長壽命和高比能。鋰離子電池作為一種新的化學電源體系，屬于現(xiàn)階段所有使用電池中較為常見的一種，具有較高的比能和良好的兼容性，使用壽命也更長，已經(jīng)在電動車領(lǐng)域得到了廣泛應用，有逐步取代鉛酸電池的趨勢。不過如果想要將其應用到純電動汽車中，還需要對一些關(guān)鍵性技術(shù)進行解決。

2 動力鋰離子電池技術(shù)研究現(xiàn)狀

在不斷的發(fā)展過程中，我國動力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了從無到有、從小到大的快速發(fā)展，相關(guān)研究項目一直都是國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）的重點，而且電池生產(chǎn)的大部分材料都已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化。依靠相應的產(chǎn)業(yè)投資，我國已經(jīng)自主建成了多條鋰離子電池生產(chǎn)線，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模標準化生產(chǎn)。從目前來看，國內(nèi)對于動力鋰離子電池的研究主要集中在磷酸鐵鋰電池方面，而能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)中，比亞迪處于領(lǐng)先地位，其推出的混合動力汽車F3DM和純電動汽車E6搭載了自主研發(fā)的動力鋰電池，市場響應良好。

從整體上分析，我國在動力鋰離子電池技術(shù)的研究方面雖然取得了一定成果，但是與國際領(lǐng)先水平依然相距甚遠，而且也存在一些比較明顯的問題，如投資過熱、產(chǎn)能過剩、核心技術(shù)欠缺等，并不能很好的滿足電動汽車市場的高端需求[1]。從產(chǎn)業(yè)鏈的角度分析，動力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈包括了上游金屬資源、中上游電芯材料、中游電芯制造及電池組封裝，下游新能源汽車應用等。我國鋰礦資源的儲量不高，而且因為伴生礦的大量存在，鋰元素的提取技術(shù)難度大，成本偏高，在產(chǎn)業(yè)鏈上游的競爭中就已經(jīng)處于劣勢，動力鋰離子電池生產(chǎn)中，主要的礦石資源鋰輝石主要依賴進口，會在一定程度上受出口國的制約。相比較而言，我國豐富的勞動力使得位于產(chǎn)業(yè)鏈中游的電芯制造呈現(xiàn)出了強勁的發(fā)展態(tài)勢，全國各地的大中型鋰電生產(chǎn)企業(yè)主要就是依賴電芯加工制造業(yè)務。

3 長壽命動力鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)

鋰離子電池的工作原理簡單，但是生產(chǎn)難度并不小，因為在生產(chǎn)過程中需要考慮的問題很多，如充放電過程中電池正負極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、正極材料的電導性以及負極材料的分子結(jié)構(gòu)等，而填充在電池正極和負極之間的電解液同樣必須具備較好的導電性和穩(wěn)定性，隔膜則應該具有穩(wěn)定的鋰離子通過性能和電絕緣性能，因此，長壽命動力鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)同樣體現(xiàn)在上述幾個方面：

3.1 正極材料

在動力鋰離子電池的研究中，正極材料的選擇可以說是技術(shù)人員需要面臨的最大難題，雖然在不斷的發(fā)展過程中，鋰離子電池的正極材料越發(fā)豐富，存在鈷酸鋰（LCO）、鎳鈷錳酸鋰（NMC）、磷酸鐵鋰（LFP）等多種可供選擇的材料，但是其各自所具備的優(yōu)勢和劣勢往往令研究人員難以抉擇。這里就兩種比較常用的正極材料進行簡單分析[2]。

3.1.1 磷酸鐵鋰

我國動力鋰離子電池的發(fā)展以磷酸鐵鋰為主，鈷酸鋰和錳酸鋰都屬于輔助材料，以比亞迪公司為例，其生產(chǎn)的動力鋰離子電池就是采用磷酸鐵鋰作為正極材料。而從研究進展分析，磷酸鐵鋰電池本身具備較高的電位，安全性和循環(huán)性能優(yōu)越，原材料豐富且價格低廉，基本不會產(chǎn)生環(huán)境污染問題，不過其本身于常溫條件下的電子導電率以及離子擴散系數(shù)低，因此實用化進程相對緩慢。國內(nèi)以磷酸鐵鋰為主要研究對象的企業(yè)包括了比亞迪、北大先行等企業(yè)，部分企業(yè)已經(jīng)開始實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。而從發(fā)展趨勢分析，磷酸鐵鋰雖然是當前動力鋰離子電池的主流正極材料，但是因為其本身能量密度的提升空間相對有限，已經(jīng)開始呈現(xiàn)出發(fā)展疲態(tài)，與之相比，具備更大能量密度提升空間的NMC材料開始受到企業(yè)和研究人員的關(guān)注，一些日韓汽車企業(yè)在電動汽車中，通常都會使用錳系鋰和NMC材料來制作動力電池。

3.1.2 鎳鈷錳酸鋰

鎳鈷錳酸鋰也就是上文提到的NMC，也稱三元材料，比較常見的包括LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等，在三元材料的研究和應用領(lǐng)域，日本與韓國處于世界領(lǐng)先水平，雖然三元材料的核心專利掌握在美國的3M公司手中，但是至少從目前來看，日本能夠提供全球最好的三元材料[3]。在國內(nèi)動力鋰離子電池的研究和生產(chǎn)領(lǐng)域，主要企業(yè)包括比亞迪、北大先行、新鄉(xiāng)中科、寧波金和等，不過其多數(shù)研究都集中在磷酸鐵鋰和錳酸鋰方面，掌握三元材料技術(shù)較早的企業(yè)，是深圳天驕科技公司。

3.2 負極材料

動力鋰離子電池的負極材料同樣有很多選擇，主要是硅基負極材料，包括Si/C復合材料、Si/SiO2/C復合材料等，還包含了對于Si/SiO2/C材料的含鋰化合物裝飾、Ag表面裝飾以及綜合性能優(yōu)化等。相比較傳統(tǒng)材料，動力鋰離子電池中的新型硅基負極材料具備更加優(yōu)越的性能，以Si/C材料為例，其放電比容量能夠達到811.4mAh/g，首次充電和放電的效率超過了86.8%，100% DOD循環(huán)100周，性能表現(xiàn)依然良好，100次循環(huán)充放電后，負極材料的可逆比容量依然能夠達到616.7mAh/g，容量保持率接近76%。

3.3 隔膜材料

動力電池中的隔膜材料大致可以分為兩類，一是聚合物隔膜，在實際應用中以微孔聚烯烴隔膜位置，能夠在較為合理的成本范圍內(nèi)，提供更加優(yōu)越的化學穩(wěn)定性和機械性能，其本身所具備的高溫自閉特性也可以保證電池使用的安全性[4];二是無紡布隔膜，包括玻璃纖維隔膜、陶瓷纖維紙以及合成纖維隔膜等。當前技術(shù)條件下，隔膜材料的主流產(chǎn)品主要有美國Celgard、日本旭化等提供，比較有代表性的包括雙向拉伸后的聚乙烯、聚丙烯微孔薄膜和聚乙烯-聚丙烯-聚乙烯三層微孔復合隔膜，隔膜的厚度在25-40μm之間，孔隙率40%。隔膜的性能會對動力電池的容量、安全性和循環(huán)次數(shù)等產(chǎn)生直接影響，必須得到足夠的重視?，F(xiàn)階段，對于隔膜材料的研究主要體現(xiàn)在幾個方面，一是通過對隔膜參數(shù)的控制，改善隔膜的強度和滲透性，促進電池容量提高的同時，也能夠?qū)ζ溲h(huán)性能進行優(yōu)化，提高電池的使用壽命;二是通過混合方法制備出隔膜材料，隔膜的強度更高，電池整體的安全性更好;三是在隔膜制備環(huán)節(jié)，摻入相應的無機顆粒，以此來改善電池循環(huán)性能，保證電池使用安全;四是構(gòu)建多層隔膜提升其耐熱性，預防電池短路問題;五是利用共嵌的方式制作隔膜，同樣可以提升隔膜耐熱性和滲透性，有效預防電池短路。對比正負極材料，隔膜材料的國產(chǎn)化率最低，技術(shù)壁壘也最高，直至2015年，中國雖然能夠自主完成隔膜產(chǎn)品的生產(chǎn)，但是高端產(chǎn)品依然需要進口，雖然有部分企業(yè)已經(jīng)在相關(guān)技術(shù)層面取得了突破，但是從總體上看，隔膜材料依然處于低端產(chǎn)能過剩，高端產(chǎn)品依賴進口的狀況[5]。

4 結(jié)語

總而言之，可持續(xù)發(fā)展背景下，新能源汽車迅速興起，并且成為了世界各國研究的重點項目。動力鋰離子電池作為電動汽車的心臟，其技術(shù)的發(fā)展直接決定了電動汽車的整體性能，與一些發(fā)達國家相比，我國在動力鋰離子電池技術(shù)的研究方面相對落后，不過發(fā)展勢頭強勁，政府部門應該做好扶持，出臺相應的優(yōu)惠政策，對市場進行規(guī)范，以此來為國內(nèi)長壽命鋰離子電池的發(fā)展提供良好保障。

參考文獻：

[1]陸順，羅寶權(quán).淺議廢舊動力鋰離子電池的回收辦法[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2018，（10）：43-47.

[2]劉興江，許寒，宗軍.動力鋰離子電池新材料及體系關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國科技成果，2016，（23）：77-78.

[3]葛瑞，李云揚.鋰離子動力電池熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].電源世界，2017，（12）：41-47.

[4]楊道均.高電壓鋰離子電池關(guān)鍵材料的開發(fā)及界面膜的優(yōu)化研究[D].北京科技大學，2017.

[5]王毅，馬新寨，謝明樹，陳志雪，姚建英，張彥杰，畢錫鋼.動力鋰離子電池技術(shù)發(fā)展分析[J].電池工業(yè)，2014，19（04）：197-202.