2023全球十大工程成就——锂离子动力电池

锂离子动力电池以锂离子嵌入化合物为正极材料、以碳素材料为负极材料，具有高能量密度、长寿命、轻量环保等优势。近年来，锂离子动力电池关键核心技术不断突破，电池系统能量密度达到255Wh/kg，循环寿命超过5000次，热扩散时间提高至大于24小时，安全性能大大提升。作为一种新型能源存储技术，锂离子动力电池已在电动汽车、电动轻型车、电动工具、航空航天等领域得到了广泛应用。

 锂离子动力电池电芯材料体系

1、正极材料

正极材料是锂离子电池最为关键的原材料，锂电池正极材料上游为锂、钴、镍等矿物原材料，结合导电剂、粘结剂等制成前驱体。前驱体经过一定工艺合成后制得正极材料，应用于不同的领域。

正极材料是锂电池电化学性能的决定性因素，直接决定电池的能量密度及安全性，进而影响电池的综合性能。正极材料在锂电池材料中占比最大，所占比例45%，主要包括活性材料、导电剂、溶剂、粘合剂、集流体、添加剂等，一般可分为钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）、三元材料镍钴锰酸锂（NCM）和镍钴铝酸锂（NCA）等。其中，磷酸铁锂主要应用于新能源车及储能电池市场，三元材料则在新能源乘用车、电动自行车和电动工具电池市场具有广泛应用。

2、负极材料

负极材料的性能直接影响动力电池，其性能的优良相应的体现在动力电池的关键性能中，如循环寿命性能、膨胀变形问题和倍率性能。按锂离子电池成本比例，负极材料占比锂电池总成本的25%～28%。相对于锂电池正极材料，负极材料的研究方兴未艾。

较为理想的负极材料最少要具备以下7点条件：

a．化学电位较低，与正极材料形成较大的电势差，从而得到高功率电池；

b．应具备较高的循环比容量；

c．在负极材料中Li⁺应该容易嵌入和脱出，具有较高的库伦效率，以至于在Li⁺脱嵌过程中可以有较稳定的充放电电压；

d．有良好的电子电导率和离子电导率；

e．有良好的稳定性，对电解质有一定的兼容性；

f．对于材料的来源应该资源丰富，价格低廉，制造工艺简单；

g．安全、绿色无污染。

符合以上各个条件的负极材料目前基本不存在，因此研究能量密度高，安全性能好，价格便宜，材料易得的新型负极材料成为当务之急，这也是现阶段锂电池研究领域的热门课题。

现阶段，锂离子电池负极材料主要有碳材料、过渡金属的氧化物、合金材料、硅材料及其他含硅材料，含锂的过渡金属的氮化物以及钛酸锂材料。按照材料的组分，通常可以将锂电池负极材料分为2大类：碳材料和非碳质材料。碳材料负极进一步分类为天然石墨负极、人造石墨负极、中间相碳微球(MCMB)、软炭(如焦炭)负极、硬炭负极、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等；其他非碳负极材料主要分为硅基及其复合材料、氮化物负极、锡基材料、钛酸锂、合金材料等。

3、电解液

电解液是电池中离子传输的载体，在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的。锂电池主要使用的电解质有高氯酸锂、六氟磷酸锂等。但用高氯酸锂制成的电池低温效果不好，有爆炸的危险，日本和美国已禁止使用。而用含氟锂盐制成的电池性能好，无爆炸危险，适用性强，特别是用六氟磷酸锂制成的电池，除上述优点外，将来废弃电池的处理工作相对简单，对生态环境友好，因此该类电解质的市场前景十分广泛。

电解液溶剂体系的基本要求是：

a.具备一定极性（高介电常数），以溶解锂盐；

b.电化学窗口宽（电解液的电化学窗口主要体现为溶剂的电化学窗口），耐正极氧化和负极还原；

c.粘度低，便于浸润电极及改善低温性能；

d.耐热。

4、隔膜

隔膜是锂离子动力电池中非常重要的材料，位于正极和负极之间，起到隔离和防止直接接触的作用以防止短路和电池失效，对于电池的性能和安全性至关重要。常见的隔膜材料包括聚烯烃（例如聚丙烯）和聚酰亚胺（PI）。聚烯烃隔膜通常由聚丙烯薄膜制成，具有较高的热稳定性和良好的电解液湿润性能。而聚酰亚胺隔膜由聚酰亚胺薄膜制成，具有更高的热稳定性和较低的电解液湿润性能，但更适合用于高温和高功率应用。

隔膜在锂离子动力电池中具有以下功能：

a.隔离正极和负极：隔膜可以阻止正极和负极之间的直接接触，从而防止电池短路；

b.离子传导：隔膜必须具有足够的孔隙和导电性，以便锂离子能够通过隔膜在正极和负极之间传输，实现电池的充放电；

c.电解液的保持：隔膜需要具有一定的孔隙结构，能够吸附和保持电解液，以确保正极和负极之间的离子传输顺畅。

参考来源：

Engineering发布2023全球十大工程成就.Engineering工程、锂离子动力电池技术.

新能源技术与企管程冰蕾

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！

本文地址：http://libattery.net/news/details1896.html