在過去的十年里，中國(guó)在鋰電池材料的發(fā)展方面取得了巨大的進(jìn)步，但也必須看到，中國(guó)的鋰電池技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)還有一定的差距。鋰電池未來的發(fā)展將集中在電池材料的進(jìn)步和電池材料的升級(jí)與不斷迭代上。

作為鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的核心材料，這些電池材料的國(guó)產(chǎn)化和技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)中國(guó)鋰電池技術(shù)走在世界前列具有重要意義。

 

中國(guó)鋰電池材料和技術(shù)發(fā)展迅速

鋰是化學(xué)元素周期表中原子量最小的金屬元素，也是密度最小、電化學(xué)當(dāng)量最小、電極電位最低的金屬。鋰電池已成為當(dāng)今的主流，具有以下優(yōu)勢(shì)：

● 高比能量。就質(zhì)量比能和體積比能而言，鋰電池比鉛酸電池高出三倍多。

● 循環(huán)壽命長(zhǎng)。通常，鉛酸電池的循環(huán)次數(shù)約為400至600次，低于鋰電池。

● 充電功率范圍廣?？稍?~3C快速充電，充電效率在85%以上，隨著電控技術(shù)的不斷進(jìn)步，充電效率將進(jìn)一步提高；

● 高速放電性能。鋰電池的放電速率高于鉛酸電池。普通鋰電池可以實(shí)現(xiàn)2-3C放電，也有具有高倍率放電能力的鋰電池。

 

 

中國(guó)還對(duì)鋰電池的發(fā)展做出了全面的科技規(guī)劃，并出臺(tái)了一系列政策，為鋰電池的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)?？傮w而言，全球鋰電池的技術(shù)來源主要是日本、中國(guó)和韓國(guó)，其中日本在鋰電池材料的研究專利方面具有優(yōu)勢(shì)。

圍繞鋰電池材料，需要在一段時(shí)間內(nèi)加大對(duì)高能量密度、低成本、更安全、輕量化電池材料的投入，開展研發(fā)和研究。使中國(guó)盡快突破鋰電池全產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵電池材料制造技術(shù)，形成規(guī)?；a(chǎn)，不斷有新的電池材料迭代和技術(shù)迭代。

 

幾種鋰電池材料的發(fā)展

高鎳正極材料

在電池材料中，三元正極材料分為鎳鈷鋁酸鋰（NCA）和鎳鈷錳酸鋰（NCM）。隨著鎳含量的增加，三元正極材料的電池容量增加，而循環(huán)性能惡化。高鎳正極材料的優(yōu)點(diǎn)是它具有高比容量，是動(dòng)力電池的絕佳選擇。盡管高鎳具有高比容量的優(yōu)點(diǎn)，但由于結(jié)構(gòu)和表面的變化，它經(jīng)常導(dǎo)致較差的循環(huán)性能。相應(yīng)地，高鎳正極材料的主要問題包括：

● 難以合成化學(xué)計(jì)量比的材料；

● 總堿含量高，易與空氣中的二氧化碳和水分發(fā)生反應(yīng)；

● 熱穩(wěn)定性和安全性差。

因此，有必要對(duì)高鎳三元正極材料的改性技術(shù)進(jìn)行研究，以提高其性能。高鎳三元正極材料的生產(chǎn)工藝包括以下步驟：鋰化混合、灌封、煅燒、破碎、分級(jí)、除雜、包裝等。與普通三元材料的區(qū)別主要在于原料要求高，工藝更復(fù)雜，制備難度大，因此其成本相對(duì)較高。

 

 

盡管近兩年有了發(fā)展，但高鎳三元正極材料的整體市場(chǎng)份額并不大，高鎳產(chǎn)能正在釋放，市場(chǎng)正在逐步推進(jìn)高鎳三進(jìn)制材料的應(yīng)用，其技術(shù)也在不斷提升。

 

固體電解質(zhì)

在鋰電池材料中，固體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)被認(rèn)為是解決鋰離子電池作為動(dòng)力的安全問題的重要手段。鋰離子電池通常使用易燃的有機(jī)電解質(zhì)。當(dāng)用作電力電池時(shí)，過度充電或意外碰撞可能會(huì)導(dǎo)致電解液起火并引發(fā)安全事故。液體電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是它可以最大化電極和電解質(zhì)之間的接觸面積，以降低電化學(xué)阻抗。

然而，液體電解質(zhì)具有熱力學(xué)穩(wěn)定性低、Li+導(dǎo)電性差、濃度極化、工作溫度范圍窄、易著火、易泄漏等缺點(diǎn)。相比之下，固體電解質(zhì)在電池材料中的優(yōu)點(diǎn)包括良好的安全性、良好的機(jī)械加工性、簡(jiǎn)化的電池結(jié)構(gòu)、寬的工作溫度范圍、良好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性以及長(zhǎng)的循環(huán)壽命。然而，固體電解質(zhì)也面臨著需要解決的問題：大多數(shù)Li+導(dǎo)電效率很低；它們不能與金屬鋰穩(wěn)定地存在。

由于電解質(zhì)和電極之間的接觸面積有限，電化學(xué)阻抗較大。固體電解質(zhì)在電化學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性方面與陰極和陽(yáng)極電池材料不兼容。目前，圍繞固體電解質(zhì)的研究正在進(jìn)行中，固體電解質(zhì)的材料將不斷改進(jìn)并取得更多突破。

 

硅負(fù)極材料

商用鋰離子電池負(fù)極材料主要是石墨，但這類電池材料的比容量很低，高速率充放電性能較差。單晶硅陽(yáng)極材料的理論比容量為4200mA·h/g，是天然石墨的十倍以上；工作電壓低至0.3V。為了實(shí)現(xiàn)更高的鋰離子電池比容量以滿足動(dòng)力電池的需求，人們對(duì)硅陽(yáng)極電池材料進(jìn)行了大量研究。硅基是目前重要的研究熱點(diǎn)，被認(rèn)為是最有潛力的陽(yáng)極材料之一。

 

 

然而，硅基陽(yáng)極在電池材料中具有大容量和大體積變化。目前，添加劑等手段主要用于提高陽(yáng)極材料的克容量、循環(huán)穩(wěn)定性和液體吸收能力。目前，在充放電循環(huán)過程中，硅陽(yáng)極材料會(huì)因鋰的嵌入和脫鋰而引起巨大的體積變化，從而導(dǎo)致活性材料的粉碎和剝離，從而降低電極的循環(huán)性能。

通過開發(fā)硅碳復(fù)合陽(yáng)極材料，可以有效地避免在充電和放電過程中由于體積膨脹過大而使硅粉化。此外，碳作為涂層電池材料可以有效地穩(wěn)定電極材料和電解質(zhì)之間的界面。因此，硅碳復(fù)合材料有望取代石墨成為下一代高能量密度鋰離子電池的陽(yáng)極。

 

鋰電池粘合劑

在鋰電池材料中，鋰電池專用粘結(jié)劑的作用是粘結(jié)和保持電極活性材料，增強(qiáng)電極活性材料與導(dǎo)電劑、活性材料與集電器之間的電子接觸，更好地穩(wěn)定極片的結(jié)構(gòu)。由于鋰電池的陰極和陽(yáng)極的體積在充電和放電過程中會(huì)膨脹或收縮，因此要求粘合劑起到一定的緩沖作用。

 

 

含有活性材料的涂膜不會(huì)從集電體上脫落或產(chǎn)生裂紋。雖然粘結(jié)劑用量較少，但其粘結(jié)劑性能對(duì)鋰離子電池的正常生產(chǎn)和最終性能有很大影響，是電池行業(yè)中非常重要的輔助電池材料。

鋰電池專用粘結(jié)劑在電池材料中主要分為兩類：一類是油溶性粘結(jié)劑，使用有機(jī)溶劑作為分散劑；另一種是水性粘合劑，使用水作為分散劑。粘合劑的性能直接影響電池的性能，因此合適的鋰電池粘合劑需要低電阻和在電解質(zhì)中的穩(wěn)定性能。粘合劑在提高電池的循環(huán)性能、快速充電和放電能力以及降低電池內(nèi)阻方面發(fā)揮著重要作用。

 

鋰電池材料未來發(fā)展的四大趨勢(shì)

鋰電池的技術(shù)進(jìn)步主要來自于關(guān)鍵電池材料的創(chuàng)新和應(yīng)用研究，主要研發(fā)方向仍集中在鋰離子電池材料上。這將為電池的安全性能帶來新的突破。鋰電池材料的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

 

 

● 一種是正極材料，它主要是基于高鎳三元材料開發(fā)的，通過高鎳三三元材料可以在降低成本和增加穩(wěn)定性的同時(shí)提高能量密度。

● 二是負(fù)極材料。以硅碳復(fù)合材料為代表的新型大容量陽(yáng)極材料是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

● 三是電解質(zhì)，主要針對(duì)傳統(tǒng)電解質(zhì)高溫穩(wěn)定性差的問題，研究新型電解質(zhì)，逐步向聚合物電解質(zhì)發(fā)展，最終向全固體電解質(zhì)發(fā)展。在電池材料方面，固體電解質(zhì)材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用對(duì)提高鋰電池的性能、降低生產(chǎn)成本、提高穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

● 四是新一代水性粘結(jié)劑。更多的研究將朝著不同的水性共聚物粘合劑的方向發(fā)展，朝著新一代耐高溫和耐低溫的多組分共聚物粘合劑方向發(fā)展，并朝著更優(yōu)異的抗老化性能方向發(fā)展。未來，水性粘結(jié)劑的研究將成為鋰電池材料中制備鋰離子電池電極的重要方向之一。