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【干货】改善锂离子电池的 5 条关键途径

时间：2023-11-11 来源：浏览：

【干货】改善锂离子电池的 5 条关键途径

旺材锂电

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来源：锂电联盟会长

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当前的锂离子电池采用石墨负极、液态电解质以及诸如NMC和LFP等正极材料，一般被认为已经接近其性能极限。然而，从电池材料到电池设计，仍然有一些途径可以进一步提升性能并降低成本。

从石墨转向硅

硅负极提供了一个引人兴奋的替代选择，可以显著提高能量密度和性能。虽然硅材料过去仅以小于5%的重量比例用于负极，但由于其固有的体积膨胀及由此引发的稳定性和循环寿命问题，要超越其作为添加剂的应用一直困难重重。然而，过去的10-15年里，硅负极技术持续改进，使电池可以在负极中使用5-100%的硅。

令人振奋的是，2022年硅负极技术仍在不断发展，包括Nexeon筹集2亿美元资金并向SKC授予材料许可，Amprius决定走向公开市场，Group14 Technologies筹集4亿美元资金，以及POSCO Holdings收购了Tera Technos。此外，Amprius交付了用于卫星的450Wh/kg商业电池，而于2021年9月发布的Whoop 4.0健身可穿戴设备采用了Sila Nano的硅负极技术。综合来看，这些进展表明硅负极市场正日益成熟，高级硅负极材料在各种应用中的采用变得越来越可能。因此，IDTechEx预测硅负极材料的采用将大幅增长，尽管石墨预计仍将保持主导地位直至2030年代。

正极合成的新方法

未来的锂离子电池可能会使用今天商业可用的一套类似的阴极材料。LNMO或与LFP相关的LMFP可能被视为例外，尽管它们都不会提供能量密度的改进，但提供了高性能和低成本之间不同的权衡。富锂锰基正极可能会提供适度的能量密度增加，但商业开发受到限制且进展缓慢。正极材料的改进通常将是渐进的。相反，正极技术和创新的最大变革可能源于它们的合成方法。当前的合成技术需要较高温度和相对较长的时间（几天），同时使用大量试剂和水，导致高生产成本和环境影响。Nano One Materials和6K Energy（属于6K Inc的一部分）是两家旨在商业化新的正极材料合成方法的公司。

Nano One Materials采用基于溶液的“一锅法”来生产涂层正极材料。该公司与正极制造商Pulead合作，并于2022年初与巴斯夫达成了开发协议。6K Energy利用微波等离子反应器来生产他们的正极材料，同时他们也能合成硅负极和固体电解质材料。6K Inc于2022年5月完成了1.02亿美元的D轮融资，并与锂生产商Albemarle和其他正极初创公司Our Next Energy达成了开发协议。Nano One Materials和6K Energy均承诺提供精简的生产工艺，以提高产能、产量和降低生产成本，同时减少环境影响。

固态电解质和新电解质配方

虽然固态电解质在电解质技术方面引起了很多关注，但新添加剂和电解质配方的使用可以为液态电解质系统持续提供渐进性的改进。例如，New Dominion Enterprises正在开发基于磷氮化合物的电解质添加剂和溶剂，以帮助提高安全性和性能。具体而言，他们的电解质添加剂材料可以提高热稳定性，降低蒸气压，并改善固体电解质/电极界面(SEI)的形成。长期来看，该公司的目标是完全用他们的电解质系统替代传统的有机溶剂，从而可能显著提高安全性。

然而，对于许多电动汽车制造商来说，神圣的电池技术目标仍然是固态电池，它可以通过用固态电解质替代目前使用的易燃液态电解质，从而显著提高安全性。此外，固态电解质还为使用锂金属负极提供了潜力，可以将能量密度推高到1000 Wh/l以上。固态电池市场预计到2031年将增长到80多亿美元，液态电解质仍将是市场的重要组成部分。关于固态电解质系统的稳定性、循环寿命、可制造性，甚至安全性等方面的挑战意味着不同电解质系统之间的竞争仍在继续。

空间高效的电池组

特别是对于电动汽车，电池组设计提供了另一条增强性能的关键途径。许多汽车公司宣布采用了电池单体组装设计，以消除与模块外壳相关的材料并优化包装效率，从而最终提高能量密度并改善电池在车辆中的集成。比亚迪宣传通过这种方式可以提高40%到60%的体积利用率，而电池制造商CATL宣布，他们最新的电池单体组装设计可以实现72%的体积利用率。早在2022年初，CATL宣布他们的LFP电池组可以达到160 Wh/kg和290 Wh/l，这开始与其NMC对手竞争。最大化能量密度有助于缓解更便宜的LFP电池的主要缺点，提供了制造更便宜、续航里程更长的电池的途径。这些类型的电池设计的缺点在于降低了可维修性，这可能会限制它们在商用车辆中的使用。

更智能的电池管理系统

电池管理系统（BMS）的改进可以提供一种改善电池性能多个方面的途径，而不需要面对材料开发所带来的挑战。例如，Qnovo强调他们的BMS软件和分析可以同时提高安全性、循环寿命、充电时间和电池可用容量。该公司通过电池使用数据和电池阻抗测量的组合来制定锂离子电池的物理模型，然后用于优化操作和充电协议。他们的BMS解决方案的另一个用例可能源自电池故障检测，考虑到最近电动汽车召回，这可能会非常有价值。

在电动汽车领域之外，改进的BMS对其他终端应用，如智能手机或电动工具，也将非常有价值。OnePlus 10T所宣传的19分钟内1-100%的充电部分是由更智能的充电算法以及更高效的热管理所实现的。除了快速充电能力，OnePlus还宣传了1600个充放电周期的寿命，超出了通常为LCO和消费电子电池所宣传的循环寿命。虽然电池的发展通常涉及能量密度、循环寿命、快速充电和安全性等主要性能特征之间的权衡，但对BMS的改进可以可行地为所有这些性能特征提供改进。

最终，有许多途径可以提高电池性能和降低成本，包括这里未讨论的其他各种途径。虽然一些发展可能只提供渐进性的好处，但它们的组合将使锂离子电池性能继续稳步前进。

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