2023全球十大工程成就——鋰離子動力電池

鋰離子動力電池以鋰離子嵌入化合物為正極材料、以碳素材料為負極材料，具有高能量密度、長壽命、輕量環保等優勢。近年來，鋰離子動力電池關鍵核心技術不斷突破，電池系統能量密度達到255Wh/kg，循環壽命超過5000次，熱擴散時間提高至大于24小時，安全性能大大提升。作為一種新型能源存儲技術，鋰離子動力電池已在電動汽車、電動輕型車、電動工具、航空航天等領域得到了廣泛應用。

 鋰離子動力電池電芯材料體系

1、正極材料

正極材料是鋰離子電池最為關鍵的原材料，鋰電池正極材料上游為鋰、鈷、鎳等礦物原材料，結合導電劑、粘結劑等制成前驅體。前驅體經過一定工藝合成后制得正極材料，應用于不同的領域。

正極材料是鋰電池電化學性能的決定性因素，直接決定電池的能量密度及安全性，進而影響電池的綜合性能。正極材料在鋰電池材料中占比最大，所占比例45%，主要包括活性材料、導電劑、溶劑、粘合劑、集流體、添加劑等，一般可分為鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）、磷酸鐵鋰（LFP）、三元材料鎳鈷錳酸鋰（NCM）和鎳鈷鋁酸鋰（NCA）等。其中，磷酸鐵鋰主要應用于新能源車及儲能電池市場，三元材料則在新能源乘用車、電動自行車和電動工具電池市場具有廣泛應用。

2、負極材料

負極材料的性能直接影響動力電池，其性能的優良相應的體現在動力電池的關鍵性能中，如循環壽命性能、膨脹變形問題和倍率性能。按鋰離子電池成本比例，負極材料占比鋰電池總成本的25%～28%。相對于鋰電池正極材料，負極材料的研究方興未艾。

較為理想的負極材料最少要具備以下7點條件：

a．化學電位較低，與正極材料形成較大的電勢差，從而得到高功率電池；

b．應具備較高的循環比容量；

c．在負極材料中Li⁺應該容易嵌入和脫出，具有較高的庫倫效率，以至于在Li⁺脫嵌過程中可以有較穩定的充放電電壓；

d．有良好的電子電導率和離子電導率；

e．有良好的穩定性，對電解質有一定的兼容性；

f．對于材料的來源應該資源豐富，價格低廉，制造工藝簡單；

g．安全、綠色無污染。

符合以上各個條件的負極材料目前基本不存在，因此研究能量密度高，安全性能好，價格便宜，材料易得的新型負極材料成為當務之急，這也是現階段鋰電池研究領域的熱門課題。

現階段，鋰離子電池負極材料主要有碳材料、過渡金屬的氧化物、合金材料、硅材料及其他含硅材料，含鋰的過渡金屬的氮化物以及鈦酸鋰材料。按照材料的組分，通常可以將鋰電池負極材料分為2大類：碳材料和非碳質材料。碳材料負極進一步分類為天然石墨負極、人造石墨負極、中間相碳微球(MCMB)、軟炭(如焦炭)負極、硬炭負極、碳納米管、石墨烯、碳纖維等；其他非碳負極材料主要分為硅基及其復合材料、氮化物負極、錫基材料、鈦酸鋰、合金材料等。

3、電解液

電解液是電池中離子傳輸的載體，在鋰電池正、負極之間起到傳導離子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優點的保證。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。鋰電池主要使用的電解質有高氯酸鋰、六氟磷酸鋰等。但用高氯酸鋰制成的電池低溫效果不好，有爆炸的危險，日本和美國已禁止使用。而用含氟鋰鹽制成的電池性能好，無爆炸危險，適用性強，特別是用六氟磷酸鋰制成的電池，除上述優點外，將來廢棄電池的處理工作相對簡單，對生態環境友好，因此該類電解質的市場前景十分廣泛。

電解液溶劑體系的基本要求是：

a.具備一定極性（高介電常數），以溶解鋰鹽；

b.電化學窗口寬（電解液的電化學窗口主要體現為溶劑的電化學窗口），耐正極氧化和負極還原；

c.粘度低，便于浸潤電極及改善低溫性能；

d.耐熱。

4、隔膜

隔膜是鋰離子動力電池中非常重要的材料，位于正極和負極之間，起到隔離和防止直接接觸的作用以防止短路和電池失效，對于電池的性能和安全性至關重要。常見的隔膜材料包括聚烯烴（例如聚丙烯）和聚酰亞胺（PI）。聚烯烴隔膜通常由聚丙烯薄膜制成，具有較高的熱穩定性和良好的電解液濕潤性能。而聚酰亞胺隔膜由聚酰亞胺薄膜制成，具有更高的熱穩定性和較低的電解液濕潤性能，但更適合用于高溫和高功率應用。

隔膜在鋰離子動力電池中具有以下功能：

a.隔離正極和負極：隔膜可以阻止正極和負極之間的直接接觸，從而防止電池短路；

b.離子傳導：隔膜必須具有足夠的孔隙和導電性，以便鋰離子能夠通過隔膜在正極和負極之間傳輸，實現電池的充放電；

c.電解液的保持：隔膜需要具有一定的孔隙結構，能夠吸附和保持電解液，以確保正極和負極之間的離子傳輸順暢。

參考來源：

Engineering發布2023全球十大工程成就.Engineering工程、鋰離子動力電池技術.

新能源技術與企管程冰蕾

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