鋰電池的性能達(dá)到極限了嗎？有可能進(jìn)一步提高電池性能嗎？這是目前世界上所有動力電池公司和純電動汽車公司都在思考和積極解決的問題。目前，鋰電池的更新是基于石墨負(fù)極、電解質(zhì)和金屬正極等材料，技術(shù)難度大，進(jìn)展緩慢。從電池材料到電池設(shè)計，本文梳理了五種提高電池性能的方法。

 

石墨負(fù)極向硅負(fù)極的轉(zhuǎn)變

鋰電池負(fù)極材料主要分為碳基材料和非碳基材料。碳基材料包括天然石墨負(fù)極、人造石墨負(fù)極等。非碳基材料主要分為硅基材料和復(fù)合材料。目前，以人造石墨為代表的碳基材料是電池負(fù)極的主要材料，占負(fù)極材料市場份額的95%。

然而，在該階段，石墨負(fù)極材料接近其372mAh/g的理論比容量極限，并且需要更高的比容量負(fù)極材料。硅負(fù)極有望顯著提高能量密度和電池性能。硅負(fù)極材料是通過將納米硅與其他材料混合，然后進(jìn)行表面處理、燒結(jié)、粉碎、篩選和消磁來制備的。

目前，商業(yè)應(yīng)用的比容量達(dá)到450mAh/g，成本較低。然而，由于循環(huán)壽命差，它主要用于3C數(shù)字領(lǐng)域。如果要將其應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域，就需要進(jìn)一步提高電池性能。

 

 

盡管負(fù)極中使用的硅材料的量小于5%，但由于其固有的體積膨脹以及由此產(chǎn)生的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命問題，很難將其用作添加劑。然而，硅負(fù)極技術(shù)在過去10-15年中穩(wěn)步改進(jìn)，使電池在負(fù)極中使用5-100%的硅，這可以進(jìn)一步提高電池性能。

 

正極合成新方法

未來的鋰離子電池可能會使用目前市場上類似的正極材料。LNMO或LFP相關(guān)的LMFP可以被視為例外，盡管兩者都不會提高能量密度，但在高電池性能和低成本之間提供了不同的權(quán)衡。富含鋰錳的NMC正極可以適度提高電池性能，但商業(yè)開發(fā)有限且緩慢。

正極材料的改進(jìn)通常是漸進(jìn)的。相反，正極技術(shù)和創(chuàng)新的最大轉(zhuǎn)變可能源于它們的合成方式。目前的合成技術(shù)需要在相對長的時間（天）內(nèi)保持高溫，同時也需要使用大量的試劑和水，這導(dǎo)致了高的制造成本和環(huán)境影響。Nano One Materials采用基于溶液的“一鍋法”生產(chǎn)涂層正極材料。

 

 

該公司與正極制造商Pulead有合作關(guān)系。6K Energy使用微波等離子體反應(yīng)器生產(chǎn)正極材料，但它們也能夠合成硅正極和固體電解質(zhì)材料。Nano One Materials和6K Energy都有望簡化生產(chǎn)流程，以提高電池性能、產(chǎn)量、降低制造成本并減少對環(huán)境的影響。

 

固體電解質(zhì)和新型電解質(zhì)配方

對于新型電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)在業(yè)界引起了極大的關(guān)注。沒有液體的固態(tài)電池幾乎是不燃的，這降低了電池組對溫度的敏感性，消除了鋰沉淀現(xiàn)象引起的鋰枝晶短路的風(fēng)險，并有效地阻斷了絕緣良好的陰極和陽極。

然而，實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化量產(chǎn)的目標(biāo)仍然相對長期。目前使用的新添加劑和電解質(zhì)配方可以改善液體電解質(zhì)系統(tǒng)并提高電池性能。例如，基于磷腈和磷氮化合物的電解質(zhì)添加劑和溶劑通過提高熱穩(wěn)定性和改善SEI膜的形成來提高安全性和電池性能。

 

 

從長遠(yuǎn)來看，固態(tài)電池仍然是最終的技術(shù)目標(biāo)，使固態(tài)電解質(zhì)能夠取代目前使用的易燃液體電解質(zhì)，從而大大提高電池安全性和電池性能。數(shù)據(jù)顯示，到2031年，固態(tài)電池市場預(yù)計將增長到80億美元以上，而液體電解質(zhì)仍然是市場的重要組成部分。固體電解質(zhì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、循環(huán)壽命、可制造性甚至安全性方面的挑戰(zhàn)意味著不同電解質(zhì)系統(tǒng)之間的競爭仍在繼續(xù)。

 

優(yōu)化電池組的內(nèi)部空間

僅僅使用新型正極材料和電解質(zhì)來提高電池性能具有顯著的技術(shù)局限性。對于電動汽車來說，改進(jìn)電池組的空間設(shè)計和增加電池容量提供了提高電池性能的另一個關(guān)鍵途徑。許多汽車公司已經(jīng)宣布了采用電池到電池組設(shè)計的電池，以消除與模塊外殼相關(guān)的材料并優(yōu)化包裝效率，最終有助于提高能量密度并改善電池與車輛的集成。

電池組的設(shè)計從CTP到CTC/CTB逐漸消除了外殼等材料，優(yōu)化了組效率。比亞迪刀片電池通過改變電池的形狀來優(yōu)化電池組的空間布置，使容量利用率提高50%。CATL最新的電池組設(shè)計是鋰電池100強(qiáng)之一，其容量利用率達(dá)到72%。

 

 

2022年初，CATL宣布其LFP封裝可能達(dá)到160瓦時/公斤和290瓦時/升，開始與NMC同行競爭。最大限度地提高能量密度有助于緩解廉價LFP電池的主要缺點，提高電池性能，并為生產(chǎn)廉價的遠(yuǎn)程電池提供途徑。這些類型的電池設(shè)計確實存在可用性降低的問題，這可能會限制它們在商用車中的使用。

 

更智能的電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（BMS）的改進(jìn)可以提供一種提高電池性能的多個方面的方法。BMS的優(yōu)化在給定正極、負(fù)極和電解質(zhì)材料的條件下，通過軟件優(yōu)化提高了電池的性能。BMS的三個核心功能是電池監(jiān)測、充電狀態(tài)（SOC）估計和有效的熱管理。準(zhǔn)確的溫度測量對電池組的工作狀態(tài)非常重要，是電池安全的保證。

SOC的準(zhǔn)確性和糾錯能力是BMS正常運行的基礎(chǔ)。如果沒有準(zhǔn)確的SOC數(shù)據(jù)，電池組將無法發(fā)揮其最大的工作效率，再多的保護(hù)功能也不會白費。高效的熱管理確保電池在正常溫度范圍內(nèi)工作，并在必要的場景中激活過熱保護(hù)策略，從而確保電池的安全有序運行，避免電池?zé)崾Э氐奈ｋU故障場景。

 

 

除了電動汽車，改進(jìn)的BMS對于智能手機(jī)或電動工具電池等其他終端用途也非常有價值。雖然電池開發(fā)通常包括在關(guān)鍵電池性能特性（如能量密度、循環(huán)壽命、快速充電和安全性）之間進(jìn)行權(quán)衡，但BMS的改進(jìn)可能會改善所有這些特性。

 

結(jié)論

電池性能的提高和成本的降低當(dāng)然遠(yuǎn)不止本文提到的幾種方法。盡管有些方法可能無法實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，但它們將為鋰電池的性能提供穩(wěn)定的發(fā)展。