電動(dòng)汽車的發(fā)展正在如火如荼地進(jìn)行。鋰離子汽車電池作為最重要的部件之一，其發(fā)展對電動(dòng)汽車的續(xù)航能力和安全性起著決定性的作用。最近，我們經(jīng)常聽到一些新電池技術(shù)的術(shù)語，如固態(tài)電池、蜂巢果凍電池、蔚來鎳55電池、硅鋰摻雜MI和CTP/CTC技術(shù)等。

事實(shí)上，有這么多技術(shù)方向，根本目的是提高電池的能量密度和安全性。在本文中，我們將帶您了解與新電池技術(shù)相關(guān)的知識。

 

新電池技術(shù)之路：提高能量密度和安全性

如果一個(gè)人去野外探險(xiǎn)，他的背包里裝滿了食物，如何讓食物供應(yīng)持續(xù)更長時(shí)間？最簡單的方法是根據(jù)熱量和密度盡可能多地包裝食物，比如壓縮餅干和巧克力。另一個(gè)方面是分配袋子的布局，這樣你就可以裝盡可能多的食物。

工程師們正試圖開發(fā)新的電池技術(shù)，通過使用兩種類似的途徑來提高電池組的能量密度：增加電池密度和增加系統(tǒng)密度。

 

 

電池密度的增加相當(dāng)于使食物本身的熱量增加；系統(tǒng)密度的增加相當(dāng)于在背包里攜帶更多的食物。當(dāng)然，在提高能源密度的同時(shí)，安全始終是首要任務(wù)。

在提高電池密度和安全性方面，正在做出哪些努力，出現(xiàn)了哪些新的電池技術(shù)？現(xiàn)在讓我們結(jié)合最近的新聞來談?wù)勥@個(gè)問題。

 

讓食物更有熱量？提高電池能量密度的新電池技術(shù)

電池由三部分組成，陰極、陽極和陰極與陽極之間的電解質(zhì)。在新的電池技術(shù)中，能量密度從這三個(gè)方面得到了提高。讓我們一個(gè)接一個(gè)地看。

用于陰極的新電池技術(shù)——鎳55和單晶材料

 

鎳55

最近，蔚來發(fā)布了100kWh的電池組，這是寧德時(shí)代之前宣布的“只有煙不燃”電池，在不改變電池組外殼尺寸的情況下，幾乎沒有重量增加，能量密度增加了37%，續(xù)航里程大大增加。

新型電池的鎳55三元電池是提高能量密度的重要因素。它的陰極材料是一種高壓單晶材料。什么是單晶？在回答這個(gè)問題之前，我們先來看看陰極材料的技術(shù)方向。

所謂三元鋰電池是指鎳、鈷和錳（NCM）的正極材料。鎳用于增加容量，鈷用于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，錳用于降低成本和提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鎳的比例越高，鈷和錳的比例越小，能量密度越高，但安全性越低。

為了提高能量密度，NCM比率從“111（N:C:M=1:1:1）”增加到“523”，然后增加到“811”。這種新的電池技術(shù)路線一直是三元正極材料發(fā)展的主流方向。

 

單晶材料

新電池技術(shù)的相反方向是單晶路徑。新發(fā)布的電池的陰極使用5系列單晶材料。單晶材料更適合于高電壓。

 

 

目前，商業(yè)上的三元陰極材料大多是由納米級初級顆粒團(tuán)聚形成的約10微米的二次球形多晶材料。多晶和單晶都是二氧化硅，石英砂是多晶材料，玻璃可以被認(rèn)為是單晶材料。

在多晶NCM中存在大量的晶界。在電池充放電過程中，由于各向異性晶格變化，多晶NCM容易發(fā)生晶界開裂，導(dǎo)致二次顆粒破碎、比表面積迅速增加和界面副反應(yīng)，導(dǎo)致電池阻抗增加，性能迅速下降。

然而，新的電池技術(shù)使用的單晶三元材料沒有內(nèi)部晶界，可以有效地處理晶界斷裂和性能退化。因此，單晶結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓，還可以提高三元材料的循環(huán)穩(wěn)定性，大大提高電池的安全性。

這是陰極材料?，F(xiàn)在讓我們來看看新的陽極電池技術(shù)。

 

用于陽極的新電池技術(shù)——硅摻雜和預(yù)鋰化

近日，據(jù)報(bào)道，IM Motor和寧德時(shí)代正在聯(lián)合開發(fā)一種硅摻雜和預(yù)鋰化的新電池技術(shù)，雙方將共享這一新電池技術(shù)專利。

IM Motor表示，目前電池的能量密度高于行業(yè)領(lǐng)先水平30-40%，最高可實(shí)現(xiàn)約1000公里的續(xù)航里程、20萬公里的衰減，電池將通過電池絕緣阻燃材料配方優(yōu)化、成組技術(shù)和全鑄鋁電池組外殼封裝技術(shù)送到您手中，BMS端云協(xié)同管理確保了電池的安全。

該電池的能量密度比目前業(yè)界領(lǐng)先水平高出30-40%，可實(shí)現(xiàn)約1000公里的最大續(xù)航里程和20萬公里的最大衰減。

該電池將通過優(yōu)化電池材料配方和絕緣阻燃封裝技術(shù)，以及全鑄鋁電池外殼封裝技術(shù)，結(jié)合BMS端云協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)絕緣阻燃，確保電池安全。

 

“硅摻雜預(yù)鋰化”電池新技術(shù)是什么？

傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨陽極密度較低。為了追求高密度，新型陽極材料硅碳和硅氧成為企業(yè)追求的新熱點(diǎn)。然而，硅氧將首次具有低效率，并且需要重新填充鋰（預(yù)鋰化）。

 

 

在液體鋰離子電池的第一次充放電過程中，電極材料在固液界面上與電解質(zhì)反應(yīng)，形成覆蓋電極材料表面的鈍化層。該鈍化層是具有固體電解質(zhì)特性的界面層，并且是電子絕緣體，但是是Li+的優(yōu)良導(dǎo)體。

Li+可以通過這個(gè)鈍化層自由嵌入和釋放，因此這種鈍化膜被稱為“固體電解質(zhì)界面膜”（簡稱SEI膜）（陰極上也有膜形成，但目前認(rèn)為它對電池的影響遠(yuǎn)小于陽極表面的SEI膜。

硅碳陽極預(yù)鋰化技術(shù)的新電池技術(shù)，硅碳陽極上預(yù)涂一層鋰金屬，與陽極緊密接觸。在澆注電解質(zhì)之后，涂層與陽極反應(yīng)并嵌入陽極顆粒中。

一部分鋰離子儲存在陽極中，以彌補(bǔ)在第一次充電和放電或循環(huán)期間SEI膜的形成或修復(fù)所消耗的鋰離子。

與陽極預(yù)硫的難度大、投資高相比，陰極預(yù)硫更簡單，典型的陰極預(yù)硫是在陽極均化過程中，添加少量高容量陽極材料，在充電過程中，這些豐富的鋰電池陽極材料中會(huì)出現(xiàn)多余的鋰元素，嵌入陰極的不可逆充放電容量首次得到補(bǔ)充。

通過這種復(fù)雜的預(yù)硫化過程，可以提高陽極材料的密度。目前還不知道IM Motor將使用什么樣的新電池技術(shù)，但幾乎可以肯定的是，IM Motor會(huì)使用這種高端鋰電池。

最后，考慮電解質(zhì)，這是電池能量密度增加的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。

 

電解質(zhì)電池新技術(shù)——固態(tài)電池和果凍電池

固態(tài)電池

由大眾汽車和比爾·蓋茨支持的初創(chuàng)公司QuantumScape于周二推出了其最新的固態(tài)電池，并表示將于2024年投產(chǎn)。這種固態(tài)電池比傳統(tǒng)的鋰離子電池有了顯著的改進(jìn)：它們可以將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程增加80%。讓我們來看看這種新的電池技術(shù)是什么以及它們的好處是什么。

在提高電池能量密度的同時(shí)，每一種新的電池技術(shù)都必須考慮電池的安全性。消除鋰離子電池的隱患，根本上在于提高電池材料的安全性。

 

 

但對于陰極材料來說，這兩個(gè)方面是矛盾的。例如，如前所述，增加鎳含量會(huì)增加能量密度，但增加鎳含量意味著安全性降低。

可以采取哪些措施以其他方式提高電池安全性，從而更安全地提高能量密度？那是你開始考慮電解質(zhì)的時(shí)候。

大量研究表明，液體電解質(zhì)參與了電池?zé)崾Э剡^程中的大部分反應(yīng)，并大大降低了電池的初始反應(yīng)溫度，即熱失控閾值變低。因此，提高電解液安全性是實(shí)現(xiàn)電池安全的最有效方法之一。

液體電解質(zhì)的物理特性使其無法避免泄漏，同時(shí)也不利于減少電池體積和提高能量密度。因此，為了提高能量密度和安全性，固體電解質(zhì)已成為一種趨勢。

新型電池技術(shù)固態(tài)電池是指具有固體電極和電解質(zhì)的電池。電池內(nèi)沒有液體的固態(tài)電池不僅更安全，而且可以在串聯(lián)和并聯(lián)后進(jìn)行組裝，從而減少了用于包裝和外殼的材料。電池組設(shè)計(jì)大大簡化，也提高了電池組后的能量密度。

與傳統(tǒng)的鋰離子電池一樣，固態(tài)電池由陰極、陽極和電解質(zhì)組成。它的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的鋰離子電池更簡單，固體電解質(zhì)既是電解質(zhì)又是隔膜。

陰極材料與傳統(tǒng)的鋰電池沒有本質(zhì)的區(qū)別。陽極材料為鋰金屬陽極材料、碳族陽極材料和氧化物陽極材料。

對于固態(tài)電池來說，固態(tài)電解質(zhì)在這一新型電池技術(shù)中的研發(fā)是最重要的。材料有很多種，包括氧化物、硫化物、聚合物和復(fù)合固體電解質(zhì)。

 

果凍電池

除了正在研究的液態(tài)鋰電池和固態(tài)電池的大規(guī)模使用外，一種新的電池技術(shù)——一種稱為果凍電池的半固態(tài)電池——也正在出現(xiàn)。2020年12月，蜂巢率先發(fā)布果凍電池并接受預(yù)購。

 

 

果凍電池是一種新的電池技術(shù)，它使用了一種新型的果凍狀電解質(zhì)，與電極材料的表面非常貼合。它具有自我修復(fù)、阻燃和防止熱擴(kuò)散的功能，導(dǎo)電性損失很小。果凍電池是從液體電池向固體電池的過渡。

 

如何包裝更多？用于提高系統(tǒng)密度的電池組的新電池技術(shù)

除了提高電池的能量密度外，新電池技術(shù)提高電池能量密度的一種方法是將更多的電池裝入相同尺寸和重量的電池組中。這里簡單介紹一下目前比較新的電池組電池技術(shù)。

 

用于去除內(nèi)部包裝的新電池技術(shù)–（CTP）

通常，電池不僅外部有電池組，內(nèi)部也有由一組電池組成的“模塊”。所謂的CTP新電池技術(shù)是去模塊化的，電池是直接封裝的。

目前，提高能源密度是企業(yè)的主要選擇。寧德時(shí)代、比亞迪、蜂巢推出了去模塊化新電池技術(shù)。熱門比亞迪刀片電池基于磷酸鐵鋰電池，采用去模塊化設(shè)計(jì)，以提高空間利用率。

 

用于去除內(nèi)部和外部包裝的新電池技術(shù)-（CTC）

在特斯拉的電池日上，提出了一種結(jié)構(gòu)電池，該電池直接內(nèi)置于ca的結(jié)構(gòu)中。這種結(jié)構(gòu)新電池技術(shù)類似于寧德時(shí)代之前提出的CTC技術(shù)，將電池單元和底盤集成在一起，然后通過創(chuàng)新的架構(gòu)將電機(jī)、電控和車輛高壓系統(tǒng)集成在一起，并通過智能電源域控制器優(yōu)化配電，降低能耗。

 

結(jié)論

通過以上介紹，相信大家對相關(guān)的新型電池技術(shù)有了一定的了解。盡管我們?nèi)匀恍枰托牡却虘B(tài)電池的商業(yè)化使用，但我們相信，在不久的將來，已經(jīng)發(fā)展起來的新電池技術(shù)，如半固態(tài)電池、陰極單晶材料和硅摻雜預(yù)鋰化技術(shù)，都可以體驗(yàn)到。