新型高濃度高安全性鋰電池的電解液

非水電解質由于具有寬的電化學窗口和優異的電化學性能，在鋰電池中得到了廣泛使用。然而非水電解質具有高的可燃性和揮發性，可能引起鋰電池出現起火、爆炸等安全問題。為了克服電解質易燃問題，傳統的做法是在非水電解質中添加阻燃劑，但是這些阻燃劑會在負極表面發生強烈的氧化還原反應，嚴重惡化電池性能。近日，合肥工業大學項宏發教授團隊研發出的新型高濃度不燃電解液，彌補了上述缺陷。

這種新型的電解液采用磷酸三甲酯（TMP）為溶劑，雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）為溶質，能夠完全不燃（圖1），因此大大提高了電池的安全性。同時在高濃度下（5mol/L），電解液中大部分TMP溶劑分子和Li+配位，形成特殊的溶劑化結構，這使得溶劑分子與負極之間的副反應減少了。當這種電解液使用于三元-石墨鋰電池時，抑制了因TMP共嵌入引起的石墨剝離。同時與傳統的碳酸酯電解液相比，具有更好的循環性能（圖2）。此外，這種高濃度電解液的特殊溶劑化結構還能夠有效抑制鋰枝晶（圖3），使用于三元鋰金屬電池時，也具有很好的循環性能。值得一提的是，全球最大的新能源汽車市場我國，市場增速比預期還要快，短時間內將出現一鈷難求的局面。分解師指出，倘若鈷的供應量無法穩步提升，鈷價還將急劇上漲，這將對電動車市場的發展造成嚴重的影響。數據顯示，自2016年初開始，鈷在英國倫敦交易所的價格上升了270%，今年三月再創歷史新高。電動車金屬資源集團主管皮特迪寧在一封郵件中表示，不管剛果(金)的政局是不是會影響鈷的出口，今朝的高價已經充足體現出鈷的緊缺性。

當前，松下一直在設法確保其在鈷市場中的穩定供貨，業內人士預測，到2018年松下的鈷用量將達到近8000噸。此外，寶馬、大眾、三星SDI、LG化學等公司也都在尋求穩定的供貨源，此前大眾和寶馬希望與鈷供應商簽訂長期合同，但進展并不順利。我國有色金屬工業協會鈷業分會秘書長徐愛東在日前舉辦的我國(青海)鋰產業與動力鋰離子電池國際高峰論壇上特地談到了終端用戶向上游供應商鎖資源這一話題。她說：為了鎖住價格，很多公司要同上游供貨商簽訂長達10年的合同，這一行為不太理智，雖然鈷市今朝很熱，但是誰都不能保證今朝就是低價。一方面價格鎖不住；另一方面，很多鈷礦業加入了‘負責任供應鏈’體系，希望能夠實現鈷行業可繼續的礦產采購。

高鎳低鈷大勢所趨

面對日益新增的成本，全球電池供應商都在想方設法減少鈷在三元電池中的含量，他們更改了電池正極材料的配方比例，將三元電池中鎳鈷錳或者鎳鈷鋁的配比從6:2:2改為8:1:1。我國很多動力鋰離子電池公司也都在布局高鎳三元電池。高鎳低鈷，一方面是為了提高能量密度，另一方面是為了降低成本。

車企也在抓緊研發先進的技術，使鈷在電池中的含量進一步減少。目前，比亞迪計劃在今年年底前將鎳鈷錳的比例調整至8:1:1，寶馬有望在2021年也采用該配方比例。預計到2020年，該類低鈷電池將占到電動車電池總量的7%，到2030年這一比例將上升至57%，從而減少電池原材料對電池總價的影響。

顯然，松下顯得更為激進，希望將鈷在三元電池中的含量降至零。松下汽車電池部門的負責人田村堅表示：我們已經大大降低了鈷在電池中的含量，鈷在三元電池中的比例已經降到3%，今朝我們的目標是實現無鈷化，這項技術已經在研發當中。作為特斯拉Model3獨家電池供應商，目前松下在美國內華達州的超級廠中加工電池。松下汽車業務負責人伊藤吉郎談到，除了在電池技術上盡量減少鈷的用量以外，松下還積極同鈷的供應商進行商量，希望可以簽訂長期穩定的供應合同，從而使公司戒備因原材料價格的飆升而遭遇風險。

五月初，特斯拉宣布其Model3安裝的電池已經極大地降低了鈷的含量，與此同時提高了鎳的含量，從而達到了有史以來最高的能量密度，并且實現了超強的耐熱性。日前，特斯拉CEO馬斯克在社交媒介上表示，在特斯拉Model3的電池中，含鈷量已經降到不到3%。他們將持續改進技術，爭取在下一代電池中完全拋棄鈷，改變帶血的電池的名聲。

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