動力鋰離子電池性能提升空間有多少？

新能源汽車之所以沒有完全普及，緊要受制于動力鋰離子電池產品性能、質量和成本。下面從物理和化學途徑聊一下動力鋰離子電池性能提升空間，并對動力鋰離子電池將來發展趨勢進行展望。

物理途徑

01圓柱電池

目前最成熟的技術就是18650電池，即通常所說的5號電池。特斯拉汽車的動力鋰離子電池就是由7623顆5號電池串并聯組成。圓柱形電池由自動化設備卷繞而成，加工效率高，加工流程標準化，普及率高。但是圓柱形電池也有其天生缺陷，因為體積小，所以單體容量較小，且在高強度放電時，發熱量大；使用壽命短，電池循環次數在1000次左右。

針對18650電池的缺點，特斯拉采取增大電芯尺寸的方式加以改進，例如特斯拉Model3中用20700替代18650電芯，20700電池新增的尺寸大概為10%，而體積和能量儲存提升了1.33倍。20700電芯量產后，其動力鋰離子電池組能量密度新增3-4%，成本下降5-10%。可見，圓柱電池的發展已經做到極致，再往上提升的空間不大。

02方形電池

方形鋰電池，顧名思義，其形狀為方形，方便重疊，也方便置于汽車之中。其外殼通常是鋁制殼或鋼制作殼。其特點是結構簡單、能量密度高，國內普及率高。方形電池多采用卷繞式或疊片式工藝，制造效率高，安全性好。隨著新能源汽車工業的發展，將來新能源汽車也將如今朝的常規能源汽車一樣大規模加工，這就涉及到標準化問題。今朝的傳統燃油汽車，大多數零部件大多采用標準件，全球通用，這樣一來不僅降低了制造成本，也降低了研發成本。將來的大趨勢是全球采取統一尺寸，統一規格的方形電池。這將極大的推動動力鋰離子電池的發展。降低動力鋰離子電池的加工成本及研發成本，推動新能源汽車產業加速發展。美國卡內基梅隆大學的研究成果也證明：圓柱形電池進一步降低成本的空間很小，而方形電池則有很大的潛力。

03軟包電池將如今朝的常規能

軟包電池，又稱聚合物鋰電池，其內部使用高分子膠態或固態電解質，差別于電解液。其電池形狀不固定，可以依據實際需求制作成各種形狀。目前在蘋果手機電池中廣泛使用。軟包電池目前價格昂貴，緊要因為高分子電解質成本較高，其外包裝材料不同于一般電池，為鋁塑復合膜。其正負極材料與傳統鋰電池一樣。

由于采用鋁塑膜包裝，其安全性能得到較好提升，發生安全問題時，軟包電池一般會鼓氣裂開，而不會發生爆炸；軟包電池的優勢還包括：質量輕、自耗電小、循環壽命長等。但是，軟包電池也有缺點，比如一致性差，成本高，容易漏液。作為一種新型動力鋰離子電池，軟包電池將來提升空間很大。

04物理途徑小結

比較分解以上提升動力鋰離子電池性能的物理途徑來看，圓柱電池的發展已經遇到天花板，將來提升空間不大；軟包電池與方形電池未來會有較大的競爭力。動力鋰離子電池降成本的緊要途徑就是標準化與模塊化。將來全國動力鋰離子電池若能建立統一標準、統一規格、統一形狀、統一尺寸以及批量加工，相信動力鋰離子電池的加工效率將大幅提升，成本將大幅下降。例如，當年福特發明的標準化加工方式讓汽車的價格從2000美金降到了300美金。在將來大規模使用新能源汽車過程中，方形電池是最具發展潛力的。它可以讓全國的新能源汽車都采用統一標準的方形電池，續航里程大的純電動車，方形電池可以重疊得多一些，續航里程短的混動汽車，方形電池可以重疊得少一些。電池封裝系統也可以全國統一標準，根據動力鋰離子電池容量的不同，分別采取相應的電池封裝技術，將方形電池封裝起來。將方形電池與封裝技術結合起來，形成全國統一標準的方形電池封裝技術，將極大的降低動力鋰離子電池的加工成品，提升動力鋰離子電池性能。助力我國汽車工業實現彎道超車，達到世界頂尖水平。

化學途徑

01高鎳NCM與NCA正極材料

正極材料是動力鋰離子電池能量的短板，只要正極材料比容量提高就能提高電池能量密度。正極材料的比容量一般為100-200mAh/g，而石墨負極材料的比容量高達400mAh/g。采用高容量的正極材料，能夠讓負極、隔膜、電解液用量之間的搭配更加完美，電池最終能量密度的提升筆直取決于正極材料比容量的提升。動力鋰離子電池能量密度沖破的關鍵就在于正極材料。

目前國內NCM111和NCM523型三元正極材料產品已經量產，并開始大規模使用，而新型622NCM則已逐步在部分動力鋰離子電池公司中推廣，將來將逐步拓展至811NCM以及NCA材料。當然三元鋰電池也有自己的瓶頸，它的正極理論比容量的最大值是300mAh/g，達到300mAh/g就已經是極限。三元鋰電池是目前動力鋰離子電池廠商主攻的方向，將來將有新型的正極材料系統。

02硅碳負極

動力鋰離子電池的負極材料緊要是硅碳負極，即在石墨材料加入硅，其理論能量密度高達4200mAh/g。例如，特斯拉在Model3中采用了新型硅碳負極材料，特斯拉在傳統石墨負極材料中加入10%的硅，使其能量密度達到550mAh/g以上。國內貝特瑞公司研發的S1000型號硅碳負極材料的比容量更是高達1050mAh/g。負極材料目前沒有技術瓶頸，完全能滿足動力鋰離子電池的各種需求。

03隔膜性

隔膜在單體電池上緊要用來隔開正負極，讓電解液能夠通過隔膜在正負極之間交換物質。受制于電池體積所限，以及提高電池能量密度的要求，動力鋰離子電池隔膜要盡量輕、薄。隔膜性能決定了電池內部結構、內阻等，筆直影響電池容量、安全性能等。優質隔膜對提升電池性能作用巨大。

隔膜技術有干法與濕法兩種制造工藝，干法成本較低但只適合小功率電池，濕法成本高但能適合大功率電池。早期，動力鋰離子電池緊要采用干法隔膜，目前濕法隔膜開始推廣使用，預計2020年干濕法薄膜技術各占一半，分別使用于中低端與高端范疇。隔膜工藝的核心技術掌握在日本旭化成公司手中。我國有大量公司加工隔膜，但無核心技術。旭化成干法今朝可量產12微米隔膜，濕法可量產6-7微米。國內公司大多只能加工干法20-40微米隔膜。比較與隔膜行業世界一流水平公司的差距，我國公司應當引進先進工藝設備，苦練內功，力爭取得沖破。

04新型電解液LiFSI

鋰電池電解液是電池中離子傳輸的載體。一般由鋰鹽和有機溶劑組成。電解液在鋰電池正、負極之間起到傳導離子的作用，是鋰電池獲得高電壓、高比能等優勢的保證。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽、必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的。

鋰電池緊要使用的電解質是六氟磷酸鋰。用含氟鋰鹽制成的電池性能好，無爆炸危險，適用性強。在鋰電池電解質中添加LiFSI后，可提高離子導電率及電池充放電特性。比如，反復充放電300次后，1.2MLiPF6的情況下放電容量保持率會降至約60％，而在1.0MLiPF6中添加0.2MLiFSI后，保持率可超過80％。目前LiFSI已經進入商用，用此種電解質廢棄電池解決工作相對簡單，對生態環境友好，因此該類電解質的將來方向十分廣泛。

05化學途徑小結

比較分解以上四種提升動力鋰離子電池性能的化學途徑，將來提升動力鋰離子電池比容量的關鍵點在正極材料。而正極材料目前是短板，補齊短板，動力鋰離子電池的比容量提升將有質的飛躍。目前，全球廠商均聚集力量研究三元鋰動力鋰離子電池，在鋰正極中緊要是加入鎳、鈷、錳三元素。并不斷調配三種元素之間的比例以提升電池性能。將來更有前途的三元材料是鎳、鈷、鋁，不斷調配試驗這三種材料間的配比，將會獲得能量密度更大的三元鋰電池。新型三元鋰電池通過與硅碳負極的適配，再搭配新型電解液LiFSI，并用更薄的濕法薄膜包裹，將使得新型動力鋰離子電池的能量密度更高、環境更友好、安全性更高以及循環壽命更長。

動力鋰離子電池展望

現有體系下，電池能量密度的理論極限為300Wh/kg，倘若要達到2025年，新體系動力鋰離子電池技術取得沖破性進展，單體比能量達500Wh/kg，有前景的方案包括固態鋰電池、鋰硫電池和鋰空氣電池等新的電化學體系電池。

固態電池大規模商用的可能性最高，因為固態鋰電池和液態鋰電池在工作原理上并無差別，只是電解質為固態與液態的差別。由于固態電池不再使用石墨負極，而是筆直使用金屬鋰負極，所以大大減輕負極材料用量，使得整個電池的能量密度分明提高。目前試驗室已試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池，安全性能也比較高，不過該種電池體積較小，成本較高，目前僅在蘋果手機等高端小巧設備上有使用。

鋰硫電池的能量密度最高，目前試驗室試制的鋰硫電池比能量密度可達500Wh/kg，硫作為正極材料理論比能量高達2600Wh/kg，且單質硫成本低、關于環境友好，但是，鋰硫電池在試制過程中有諸多技術難題無法沖破，包括安全性、倍率性能和循環穩定性等。鋰硫電池使用前景廣闊，環境友好，倘若試制成功，無異于一場革命，新能源汽車將會迅速取代傳統燃油汽車。

鋰空氣電池的續航里程最長，單次續航里程可達2000公里，不僅如此，鋰空氣電池比能量有望超過700Wh/kg。金屬空氣電池是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發生氧化還原反應而萌生電能的一種特殊燃料鋰離子電池。鋰空氣電池的比能量是鋰電池的10倍，體積更小，重量更輕。但是鋰金屬過于活潑，碰見水蒸汽馬上會發生劇烈氧化還原反應，其安全性、穩定差。鋰空氣電池的使用還有諸多技術難關要攻克。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除