新能源將在能源結構中占據越來 越高的比例，電能的存儲及利用是能源 結構轉型中的關鍵環節。電池循環等命 超過5 000次、價格低于1.5元/ W h.或 者循環壽命超過1()00次、價格低于 3元/Wh將是截至202牌儲能鋰離于 電池的研發和生產目標；而能量密 度髙于350Wh/kg、成本低干0.8元 /Wh以及使用壽命長達10年的髙安 全性動力鋰電池將會是今后長期的 研究熱點。動力電池安全性是當前 動力電池企業和車企普遍關心的 問題，寧德時代新能源科技股份有 限(CATL)、天津力神電池股份有 限公司等國內電池領軍企業從材 料、電池角度，對電池安全性技術 進行了系統開發.CATL甚至對動 力電源進行了整車水平的安全性評 估。新體系高比能量電池仍然是科 研院所的前沿課題，以金屬鋰為負 極、固體鋰離子導體為電解質的鋰 空氣或鋰硫電池被認為是動力電池 未來的發展方向。
全球已經進入從化石能源向可 再生能源轉變的時期，環境保護與新 能源技術的開發是世界各國關注的 熱點。汽車雖然是21世紀最重要的 交通工具，但是其帶來的污染也成為 全球性問題。隨著汽車數量越來越 多、使用范圍越來越廣，它對世界環 境的負面效應也越來越大。開發電動 汽車(EV),已成為世界各國的迫切任 務。近十年來，中國政府、高校、汽車 制造商和電池公司已投入大量的人 力、資金加速電動汽車的研發，中國 已經成為世界電池技術、制造及市場 密集的地區。鋰離子電池因具有高能 量密度、高功率密度、體系豐富的特 點，被公認為最有希望的動力電池，但 作為一個新興產業,鋰電池在技術、設 備和應用方面還存在很多技術瓶頸。
一、鋰電池未來發展方向
國家能源發展的故略方向已轉向 加強可再生能源消費中的比例，我國 政府正不斷加大力度培育和發展新能 源技術產業，而動力電池是發展新能 源汽車的關鍵。目前雖然我國動力電 池在電極材料、單體電池、電池系統等 關鍵技術領域取得重要進展，建成了 較為完整的產業體系，形成了一定的 市場規模，但動力電池仍不能滿足新 能源汽車發展的需求,主要存在3個 方面的問題：比能量、安全性和性價 比。綜合考慮3方面問題，以金屬鋰為 負極、固體鋰離子導體為電解質的鋰 空氣或鋰硫電池是未來的發展方向0
1、比能量
目前，電動汽車用動力電池正 極材料以磷酸鐵鋰(LFP)為主，負極 材料仍主要采用石墨材料.其比能量 約為 90 ~ 140Wh/kgo 預期至 2020 年,能量型動力電池系統比能量達到 25()Wh/kg,成本下降至1.0元/Wh。 正極材料的發展以高容量、高電壓為 主要取向，典型代表是富鋰過渡金屬 氧化物，比容量可達250mAh/g.充 電電位4.8V,高容量硅材料是新型 鋰離于電池負極材料的主要發展方 向,主要包括硅碳復合材料、硅金屬合 金材料和硅氧化物材料等。預計2030 年，能量型動力電池系統比能量達到
5(M)Wh/kgo開發鋰硫電池、鋰空電池 等新體系電池，正極材料以硫/碳復 臺材料或氧電極催化劑材料為主，金 屬鋰為負極材料主要發展方向，開發 表面涂層材料、合金材料等。
2、安全性
提高動力鋰離子電池安全性和 可解性，需要建立從材料、電池及關鍵 部件到系統安全保障等一系列技術措 施。安全性電極材料可根據微區溫度 及電壓變化快速關閉危險性反應，實 現電池單體的可逆保護，通過在隔膜 表面修怖納米氧化物陶瓷材料開發新 型安全性隔膜材料，降低電池內短路率。電池的另一個重大安全性隱患主 要是因為使用液態有機電解液，易引 發起火、爆炸等問題，而固體電解質在 避免這些安全事故方面具有很大的優 勢。系統安全性問題的提高主要依靠 電源管理系統(BMS)的不斷升級，實 時監測電池工作狀態，有效保持電池 間的均衡。
3、性價比
性價比的高低是實現動力鋰離子 電池全面應用的關鍵性問題之一。未 來動力電池不僅要求比能量更高、續 航里程更遠，而且還要求成本及消費 價格低于石化能源。
二、下一代鋰離子電池電極材料
1、正極材料
目前已經進入商業應用的正極 材料鉆酸鋰(UCoO2)丄iNi^Co。川A 歸05。2、L i N L. 33CjjMiIq 33。2等材料 只能提供它們理論容量的50%?60% (140?170mAh/gL而尖晶石結構的 缽酸鋰(LiMnA)和橄欖石結構的磷 酸鐵鋰(LiFePOj的比容量最髙也只 有120?170mAh/ggl°并且由于鉆 (Co)離子存在毒性、價格昂貴，使它 們已經無法滿足鋰離子電池在能量密 度、循環壽命及安全問題方面日益增 長的性能及環境要求，所以需要對鋰 離子電池正極材料進行更多更深入的 研究。
正極材料的發展應以高容量/高 電壓為主要取向.典型代表是層狀富 鋰盆基材料和三元材料。層狀富鋰鉉 基正極材料就是由Li,MnO3(C2/m) 與LiMO2(R/3m)〔M是過渡金屬，如 鐳(Mn)、Co、鐐(Ni)、Ni-Co、Ni- Mn等)〕2類具有較為相似層狀結 構的材料所合成的一類固溶體物 質，可用通式xLqMnO??(1—x)LiM0? 表示隊。這種材料為« -NaFeO.型層 狀巖鹽結構，其中氣采取六方密堆積 排列，純鋰與過渡金屬和鋰的混合層 交替排列,類似于LiCoO2.4Li2MnO3 材料中所含的+4價錠難以被氧化，但 可與LiMnO2.LiCrO2等材料復合形 成穩定的富鋰鉉基固溶體.所得材料 結構穩定、安全性好、對環境友好，具 有較高的比容量，而且鎬元素價格 便宜，大大降低了材料制備成本。但 使用中仍存在一些問題：如電壓衰 退、倍率性能較差、高溫長循環不穩定 等。Wang Chongmin小組伍壇用球差 電鏡具體觀察循環過程中材料相變的 過程，從表面的衍射峰信息來看，他 們認為尖晶石相是導致電壓衰退的 原因? Adrien Boulineau等®發現在 第1個循環時在顆粒表面就形成了 尖晶石相(2 ~3nm厚)，經50次循環 后并未增長，他們認為電壓衰退可能 與Ni在表面的偏析有關；Zhang Ji- Guang等卻發現隨著循環不斷進 行,Ni會在表面不斷富集，根據實驗 結果,Ni元素表面偏析的樣品電壓 衰退非常明顯。研究人員通過包覆改 性(A1F 尸、spineWLLiMnPO糜)、摻 雜改性(PIU1.K[,21)及包覆摻雜一體 化(LiMgPO胛、LiFePO胛)等方式 來抑制電壓衰退，雖然取得了一些進 展，但是仍不能滿足動力電池實際應 用的要求。因此，仍需要不斷探尋抑 制電壓衰退的可行性方案。通過對 Mn、Co、O等元素的吸收譜和氧化還 原反應更迭結果分析，夏定國教授提 出臺理的表面改性和調制電荷補償過 程是抑制電壓衰退的可行性方案。此 外，針對富鋰材料循環性能差及安全 性等問題,美國阿貢實驗室的Khalil Amine提出通過包覆LMO的方案以 進行改善，并展示了高能量復合材料
三元材料是以LiN須3 C °】 /’Mn], 3O2 (NMC333)為代表的層狀氧化鐐鉆 往系列材料，它們比較好地兼備了鉆 酸鋰、往酸鋰和磷酸鐵鋰的優點，并 在一定程度上彌補了它們的不足.具 有高比容量、循環性能穩定、成本相 對較低、安全性能較好等特點，被認 為是動力電源的理想選擇，以及能 取代LiCoO,的最佳正極材料。根據 中信國安盟固利動力科技有限公司 對 NMC333、NMC442、NMC532、 NMC622和NMC811的基本情況及作 為動力電源發展趨勢所作分析,在不 同NMC材料中,Ni的初始價態并不 完全一樣,且隨著Ni含量的升高，晶 體有序度降低，理論比容量幾乎無變 化,但是在0.1C條件下實際容量存在 差異。當前，用于動力電源的三元正極 材料主要為NMC1H和NMC442,其 能量密度達到180Wh/kg；到2018 年,NMC622成為主要的三元正極 材料,能量密度達到250Wh/kg ；到 2020年，以三元為正極的動力電源實 現30()Wh/k^的能量密度。
此外，美國阿貢實驗室的Khalil Amine通過不斷改變共沉淀過程中 Ni、Co、Mn比例制備出的高容量、長 循環壽命全濃度梯度NCM同。這種 N C M微米球是由整齊的針狀納米棒 組裝而成,這一結構大大提高了 NCM 的倍率穩定性。每個球形NCM顆粒由 中心向外環鐐離子溶度呈線性逐漸 減小而猛離于溶度則呈線性增大。這 種富柱少鐐的外層結構能有效的保 證材料的穩定尤其是在高電壓循環 下的穩定I富鐐少糧的內部核心則提 高了 NCM的比容量。這種全溶度梯度 N C M展示了 215的高比容量,且經歷
1000個循環后比容量仍保持90%。這 種全濃度梯度的材料設計方法有利于 發展高倍率、高能量密度和高安全性 的功能化正極材料。
2、負極材料
北京有色金屬研究總院的盧世剛 教授提出下一代鋰離子電池負極材料 的發展方向應為高容量硅材料。硅材 料主要包括硅碳復合材料、硅金屬臺 金材料和硅氧化物材料等，以硅碳復 臺材料為重點。硅碳復合能夠改善硅
材料體積膨脹所帶來的結構、表面穩 定性問題。
Khalil Amine介紹了一種美國 阿貢實驗室制備的高能量硅-石墨 烯復合負極材料。這一復合材料是利用 氫氣還原通入石墨烯內部的氫化二氣 硅烷直接將硅(Si)沉積在石墨層間得 到。硅-石墨烯復合材料在0.2C條件下 比容量高達130taiAh/g,且經歷1(0■卜循 環后比容量仍保持在1200mAh/g,在 1C的高倍率條件下，比容量始終保 持在535mAh/g,清華大學邱新平教 授展示了一種多孑LSi/C復合材料。首 先將納米碳酸鈣(CaCO3)分散在蔗 糖溶液中，蒸干后收集的粉體經燃燒 除模板后得到多孔碳材料，再采用化 學氣相沉積(CVD)法將Si沉積到多 孔碳中.得到多孔Si / C復合材料。這 種復合材料在0.1 A/g電流密度下比 容量高達1 500mAh/g ,當電流密度 增大到2A/g時，其比容量仍保持在 500mAh/g?當電流密度再次回復 到0.lA/g時,容量保持初始容量的 92%。
焦炭
三、多電子反應材料
盡管目前動力電源體系成就巨 大，但是其發展水平與日益增長的社 會需求相比仍存在不小的差距。即使 目前較先進的鋰離子電池，能量密度 也難以達到純電動汽車的要求，而且 不斷涌現的各式各樣先進便攜式信息 產品，多功能化不斷地對電池能量密 度提出更高的要求。面對大規模儲電 的急迫需求，電化學儲能技術至今尚 還拿不出令人滿意的方案。如何構建 更高能量、更強動力的動力電源新體 系，無疑是目前電化學研究的最重要 課題之一c利用多電子反應電池體系 是成倍提高動力電源能量密度的有效 途徑。
多電子電極反應是綠色二次電 池新體系中具有關鍵發展意義的一類 電極反應。所謂多電子電極材料(亦稱 多電子反應體系)網，即的活性 材料能夠在特定的電化學反應過程 中實現大于imol電子的轉移反應，而 這種特定的電化學反應就被視為多 電子反應。多電子體系是最有可能實 現電池能量密度成倍増長的新概念體 系，一些典型的多電子電極如復合硫 電極、空氣電極、鋅離子電極等已經嶄 露頭角。
硫在用作正極活性物質時能夠與金 屬鋰形成硫化鋰(皿罰并伴隨2個電子的 部,理論比容量為1675mAh/g,以硫 為正極材料構筑的鋰硫電池,其理論比 能量可達2 600Wh/kg°此外,單質硫 還具有自然存儲量豐富、價格便宜，環 境友好等優點,因而基于單質硫多電子 反應的鋰硫電池成為多電子反應體系的 主要發展方向眺然而，在對鋰硫電池的 研究中也發現了一些嚴重的問題。由于 硫的高絕緣性(SxiorW/cmqc )、在 電化學反應過程中形成的中間產物
多硫化鋰和飛梭效應，導致鋰硫電池 活性物質的利用率較低和循環壽命 差。可溶性多硫化鋰可能會擴散到鋰 負極被還原，導致鋰電池陽極被嚴重 腐蝕，同時被還原的鋰硫化物也可能 會擴散回陰極被氧化，因而在鋰硫電 池中都能觀察到較低的庫侖效率。北 京理工大學吳鋒教授對此介紹了一種 采用石墨烯和碳納米管導電骨架的方 式實現鋰硫電池的多電子反應和高容 量化網。通過2步組裝過程將包覆硫的 多比碳納米管核殼結構成功的嵌入到 石墨婦層中形成了夾層式結構復合材 料(GS—MWCNTQS)。復合材料中 硫的負載量達到70%,在0.2C時初始 放電容量達到1 396m Ah/g,硫的利用 率為83% ；經歷10()個循環后可逆容量 仍維持在844mAh/g,庫倫效率始終高 于 95%。
鋰空氣電池性能是多電子反應體系中的佼佼者,其理論比能量 5 (W)Wh/kg(產物為LiOH)，產物為3氧 化鋰心河,比能高達11 。然后，鋰空氣電池也面臨著一系列的問 題，如過電壓、循環壽命以及反應機理不詳等。美國阿貢國家實驗室的 Jun Lu119-201將準確尺寸和原子數量 的亞微米銀簇沉積在鈍化碳材料表 面,不同的Ag原子簇會影響電化學還 原過程的速度，導致Li的生成機理 不同。結果確定了 LiQ?的生成有2個 機理，一個是電化學機理，生成的顆 粒小，分解速度快，過電位低，另一個 是化學結晶機理.生成的顆粒大，分 解速度慢，過電位高網。因此通過對 氧化還原反應(ORR)ffi化劑的調 控、實現對放電產物結構及形貌的 調控，進而影響遮陽反應(OER)過 程過電位。根據這一結論,Jun Lu等 利用原子層沉積技術在碳材料上包 覆A.。；和Pd納米顆粒解決了充電 過電壓問題【響。
電池工業與電池系統
目前，動力電池的生產依然處于 中試到規模化的過渡階段，面對大批 量的客戶生產能力難以供貨。主要是 因為實驗線、中試線不具備規模的產 能，且生產的動力電池一致性與安全 性較差、成本高°深圳吉陽智云科技有 限公司的陽如坤提出了動力電池的大 規模制造與智能化制造思想。當前，動 力電池材料、結構的技術平臺已經成 熟,材料與結構配合技術體系格局已經 形成，市場、服務、應用需求的多樣化都 為動力電池規模定制奠定了基礎。而 動力電池的研發、生產設備、工作廠房 等固定費用都迫切需要提高產能來攤 銷。此外，大規模制造必須在生產的動 力電池滿足相關標準的前提下才能得 以實施，這就要求實現智能化制造.智 能化制造即要求大規模生產線實現 完全智能化控制，電池合格率不低于 96%,材料利用率不低于95%.且動力 電池單線產能規模高于1GW。
中國新能源汽車處于高速發展狀 態，但是作為新能源汽車的最關鍵部 件,動力鋰電池實際存在著至少2大隱 患：安全性問題和壽命問題。哈爾濱理 工大學的李革臣教授提出了動力電池 在正常應用環境下可能發生的安全性 與一致性問題，如內部溫度不勻引起 局部發熱、充放電倍率引起高溫、散熱 系統的故障引發的高溫和長期運行產 生的模塊動態內阻不一致等。
在新型電池設計研發方面，中南 大學唐有根教授提出的三維技術制 造鋰離子電池，不僅可將鋰離子電池 的比能量在現有基礎上提高20%,而 且可很大程度改善鋰離于電池安全 性.上海貫裕能源科技有限公司Peter Marinov提出的新型主動電池平衡 管理系統有效的保證了電池的一致 性。此外，清華大學能源互聯網創新研 究院的慈松提出的電池互聯網化管控 思想將“互聯網+電池”模式清晰的展 現出來。實現單體電池及電池組的互 聯網管控，不僅徹底解決了電池安全 性，一致性問題，而且實現了電池在 各方面的通用性，不再局限于電動車 用,家用等模式。
鋰離子電池作為新能源汽車的主 要動力源之一.其安全性一直是行業內 人士及消費者關注的重點，而安全性問 題的核心是熱失控。清華大學的歐陽明 高教授領導的清華大學團隊對鋰電池 單體因針刺、外短路、過充、過放、過熱 及擠壓等原因導致熱失控的擴展模式 進行了詳細分析,并設計建立了鋰電池 失控機理模型。通過這一模型,能有針 對性的合理設計電池模塊•提出電池管 理系統可用的熱安全狀態判斷準則，降 低或消除鋰離于動力電池的安全隱 患.實現電動汽車的推廣。
動力電池回收是電池工業的一 個重要方面，尤其是在電動汽車需求 越來越大，廢舊電池量越來越多的情 況下。廢舊鋰離子電池很有多種有 害物質，如有機溶劑、重金屬和有毒 氣體等。如何處理廢舊鋰離子電池 一直是一項艱巨的工程。北京理工 大學李麗課題組針對這一問題采用 environmental friendly method121-221 和cost-effective method123-251 方式 回收處理鋰離子電池并用life cycle assessment回驗證回收效果的工 作。此外•面對日益嚴峻的鋰離子電 池廢棄壓力，她提出了迫切需要改進 現有的回收工藝，開發自動化拆解工 藝，以降低能耗和環境危害，研究了 廢舊鋰離于動力電池的梯次利用技術 和建立完善的回收管理制度以提髙動 力鋰電池的回收利用率，此外，還呼 吁建立動力電池外形標準，以降低拆 解設備的復雜度。
五、結語
目前，多種體系的技術指標已經 滿足電動汽車要求，但這些體系都未 能真正進入電動汽車市場，進一步研 發仍然是現階段的研究熱點。開發高 能量、高續航里程.髙安全性的動力 鋰離子電池是一個大的趨勢，開發新 型全固態多電子反應電池也將是一 個長期的研發重點
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