鋰電池高能量技術研究熱點剖析

近期高工產研鋰電研究所（GGII）走訪了50多家公司和參加多個論壇交流，發現目前鋰電池在高能量密度技術方面有較大沖破。

高能量密度發展路線包括：高電壓正極材料、高克容量正負極材料。高電壓正極材料通常指電池使用電壓高于4.2V的正極材料。鈷酸鋰、錳酸鋰、三元均有高電壓材料。

其中高電壓鈷酸鋰商用化已經很成熟，大量使用于高端數碼類產品，其能量密度比一般的三元電池要高。目前高電壓鈷酸鋰電池電壓通常為4.35V，將來3-5年4.4V、4.5V高電壓鈷酸鋰電池或可大規模使用。

三元高電壓正極材料使用很少，基本處于研究階段。但三元高電壓正極材料或許是將來達到300Wh/kg能量密度的沖破口。

目前三元NCM811材料克容量已經超過180mAh/g，通過包覆或者參雜可以實現高電壓，同時其克容量也會進一步提高（高電壓材料相當于將低電壓時沒有活性的鋰激活，更大限度的利用材料）。但目前三元材料高電壓化還有很多技術問題沒有處理，材料自身的穩定性尚未處理。

錳酸鋰正極材料充電電位可達4.7V，晶格結構非常穩定。

目前錳酸鋰電池能量密度150Wh/kg，高于磷酸鐵鋰電池能量密度。錳酸鋰晶體結構穩定、熱穩定性良好，錳酸鋰電池的安全性非常高。其中錳酸鋰-鈦酸鋰體系電池在快充范疇有極好的使用前景。

磷酸鐵鋰由于容量發揮已經接近理論，通過高電壓化難以激活更多的鋰，效果非常有限。但磷酸鐵錳（釩）鋰、硅酸鐵鋰能量密度更高，是很多研究機構和公司研究的熱門范疇，硅酸鐵鋰分子含有兩個鋰離子，其理論克容量高達332mAh/g。

高電壓正極材料要高電壓電解液配合使整個電池系統運行良好。要使電解液在高電壓環境下穩定運行，非得要提高溶劑的耐氧化性，同時阻斷正極與電解液筆直接觸。提高電解液抗氧化性辦法包括氟代溶劑，氟代溶劑價格太高，大規模使用難以實現。

其他新型抗氧化性溶劑如離子液體，具有良好的離子導電性和抗氧化能力，是一種優良鋰電池溶劑，但目前價格高昂，難以大規模推廣。阻斷電解液和電解液筆直接觸的辦法包括正極材料包覆，正極成膜添加劑。正極材料包覆和添加劑研究非常多，效果非常分明，是將來提升抗氧化性緊要手段。

三元材料大規模開發和使用相對較晚，在能量密度方面還有很大提升空間。目前主流材料廠商已經能做到180mAh/g水平，而三元高鎳材料理論容量可達270mAh/g，還有很大提升空間。目前高容量三元材料存在對水敏感、首次效率低、循環差等特點。隨著工藝技術進步這些問題或可處理，富鋰正極也是很多研究機構和公司研究的熱點。

另一方面硅系負極材料可以極大提升負極的克容量。一直以來負極材料均已石墨為主，石墨負極技術已經非常成熟，實際容量已經非常接近理論容量。要提高負極克容量，非得采用其他材料。

而硅錫等金屬負極是非常適宜的選擇，最早日本sony有采用錫復合負極提升電池能量密度，已經向市場推出了高容量18650產品。近幾年來硅復合負極得到了重視，其中硅碳復合負極和氧化亞硅-石墨復合負極技術較為成熟，日韓公司已經使用到高容量產品中。

目前國內材料廠、電芯廠也逐步推出硅系負極高容量產品。硅的理論克容量4200mAh/g，但是體積膨脹效應非常大，因此多采用與石墨復合以減小膨脹帶來的影響。金屬鋰負極具有比硅負極更高克容量，但其枝晶問題上沒有處理，安全風險高。且金屬鋰與電解液容易反應，降低其循環壽命。目前金屬鋰負極電池還難以大規模推向市場。

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