續(xù)航里程對于電動汽車的用戶體驗非常重要，而電池能量密度是決定續(xù)航里程的關鍵因素。2017年4月，工信部、發(fā)改委、科技部在《汽車產業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》提出：到2020年，新能源汽車動力電池單體比能量（能量密度）達到300Wh/kg以上，力爭實現(xiàn)350Wh/kg，系統(tǒng)比能量力爭達到260Wh/kg；到2025年，動力電池系統(tǒng)比能量達到350Wh/kg。而截至2017年底，大部分實現(xiàn)產業(yè)化的單體電芯能量密度達不到200Wh/kg（國內亦有優(yōu)秀企業(yè)做到220-240Wh/kg），產業(yè)界正加大力度逐步提高鋰離子電池的能量密度。
高鎳三元正極材料
公開資料顯示，三元材料具有和鈷酸鋰類似的α-NaFeO2型層狀巖鹽結構，適合鋰離子的嵌入與脫出，較橄欖石型的磷酸鐵鋰正極材料，在充放電倍率等性能上有更大優(yōu)勢，使得三元鋰電池較磷酸鐵鋰電池更具能量密度優(yōu)勢。理論上講，應用基于鎳酸鋰改性的高鎳三元正極材料，有望助力電池能量密度達到300Wh/kg。
此外，鎳元素比例提高，亦可降低對資源較為稀缺的鈷的依賴。據(jù)悉，在國軒高科量產的三元622電池產品中，鎳鈷錳三種金屬在正極材料中的比例已達到6.5:1.5:2，每kWh金屬鈷用量約為三元333電池的40%。
高鎳NCM層狀材料存在高溫性能差、振實密度低等缺點，制約其商業(yè)化應用，表面包覆改性等技術可有效減少副反應，改善其電化學性能和熱穩(wěn)定性。
硅基負極材料
據(jù)悉，在傳統(tǒng)石墨負極以外的新型負極材料中，硅基負極材料在2020年之前產業(yè)化可行性最高。
公開學術資料顯示，單質硅的理論嵌鋰容量高達4.2Ah/g，是石墨的11.3倍，電壓平臺略高于石墨。根據(jù)相關專家研究，硅材料具有較為適中的嵌脫鋰電位（約0.45 V vs. Li/Li+），適合試制下一代鋰離子電池的負極材料。因此，研發(fā)硅基負極材料，對于產業(yè)界提升鋰離子電池的能量密度，具有重要意義。
根據(jù)中科院寧波材料所公開資料及《鋰離子電池硅基負極專利分析報告》，硅負極材料在充放電循環(huán)過程中存在巨大的體積變化（高達3倍以上），造成硅顆粒粉化，從而引發(fā)固體電解質界面（SEI）膜反復再生庫倫效率低，電接觸變差極化增大，使得硅負極材料的實際循環(huán)壽命和倍率性能較差。要解決首次充放電效率和循環(huán)穩(wěn)定性的問題，需要對材料進行改性處理，比如利用納米化、合金化或碳包覆等手段來緩沖硅的體積變化，盡量不讓電極表面生成的SEI膜受到破壞，在循環(huán)過程中不造成新的表面裸露，減少不可逆容量的損失。為了推動硅基負極材料在鋰離子電池中的應用，還需要加速開發(fā)與材料特性相匹配的電解液、粘結劑和集流體等。
在硅基負極材料的研發(fā)領域，日本相對領先，豐田、日產、松下、GS湯淺、三洋電機、三菱化學、東芝、日立化學和三井礦業(yè)等新能源汽車、電池及材料企業(yè)，在多個細分領域取得突破。韓國的三星、LG等企業(yè)，亦有重要成果。在中國，比亞迪、寧德時代、國軒高科、杉杉股份、貝特瑞、力神、中科院寧波材料所等科研機構與企業(yè)，近年來亦積極開展相關研究與產業(yè)化工作。
富鋰錳基正極材料
富鋰錳基固溶體正極材料的化學式為xLi2MnO3·(1-x)LiMO2，這種材料的放電比容量一般超過250mAh/g，甚至高達300mAh/g，且熱穩(wěn)定性高，而目前用作動力鋰電池正極材料的磷酸鐵鋰、三元、錳酸鋰之商業(yè)化放電比容量不及200mAh/g。對比可見，富鋰錳基正極材料的商業(yè)化潛在價值很大，是提高動力鋰電池能量密度的選擇之一。
根據(jù)中科院寧波材料所于2016年4月發(fā)布的《鋰離子電池富鋰錳基正極材料技術專利分析報告》，富鋰錳基正極材料亦存在限制其商業(yè)化應用的諸多缺陷，比如：首次不可逆容量過高、倍率性能較差、循環(huán)過程中存在電壓衰減、體積能量密度較低、常規(guī)碳酸脂基電解液難以與其匹配等。為了推動富鋰錳基正極材料產業(yè)化，需要對其優(yōu)化改性，如表面包覆、元素摻雜、表面脫鋰處理、引入尖晶石相，以及開發(fā)與其相匹配的高壓電解液，等等。
近年來，在富鋰錳基正極材料的制備、改性及電池應用上，國內多家科研機構與企業(yè)積極參與其中，并取得相關專利，包括（但不限于）：中科院寧波材料所、上?？臻g電源研究所、北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等科研院校，中國一汽、萬向電動汽車、奇瑞汽車等車企，以及國軒高科、當升科技、國能電池、江特鋰電池材料等鋰電產業(yè)企業(yè)。國外的企業(yè)與研究機構，比如美國安維亞系統(tǒng)公司、三星、索尼、LG化學、巴斯夫（BASF）、3M、日本株式會社半導體能源研究所（SEL）等，也在中國申請了相關研究專利。
富鋰錳基正極材料和硅碳復合負極材料的研發(fā)被中科院寧波材料納入其“高能量密度動力鋰電池技術”重大科研項目中。其“十三五”目標為：率先實現(xiàn)高性能富鋰錳基正極材料和硅碳復合負極材料的產業(yè)化；應用所研發(fā)的高容量正負極材料，并集成導電粘結劑、石墨烯導電劑、5V 高安全電解液和離子導體涂層隔膜等新型材料，研制能量密度達350Wh/kg，體積能量密度≥700Wh/L的新一代動力鋰電池，實現(xiàn)其產業(yè)化和車載示范應用。與此同時，研發(fā)超級富鋰正極材料、金屬鋰保護技術和新型電解質體系，開發(fā)出能量密度達500Wh/kg的下一代高能鋰電池，并實現(xiàn)其應用示范。
領先電池廠商牽頭承擔國家重點研發(fā)項目
科技部于2016年6月30日發(fā)布《關于對國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車”等10個重點專項2016年度項目安排進行公示的通知》，在新能源汽車領域有19個重點項目入選，其中，與鋰電池相關的項目有5個，主要以提高能量密度為目標，電池制造商國軒高科、寧德時代和力神，分別主導其中3個項目。
國軒高科子公司“合肥國軒”牽頭承擔的“高比能量動力鋰離子電池的研發(fā)與集成應用”項目進展：據(jù)報道，該項目團隊開發(fā)完成能量密度達281Wh/kg和302Wh/kg的電池單體樣品。這兩種電池皆采用硅基負極材料，前者采用高鎳正極材料，后者采用富鋰正極材料。公司已開發(fā)出三元811軟包電芯，能量密度到達302Wh/kg；并已開始建設相關產品中試線，計劃2019年開始建設產線。據(jù)悉，國軒高科2017年四季度完成了一輪配股，其募投項目中包括（但不限于）1萬噸高鎳三元正極材料產業(yè)化和5000噸硅基負極材料產業(yè)化。根據(jù)項目可行性報告，該公司已掌握硅基負極材料表面改性及材料預鋰化等關鍵技術，可以有效緩沖硅材料體積膨脹對結構穩(wěn)定性的影響，提高了硅基負極材料的首次庫倫效率及循環(huán)性能，為產業(yè)化實施提供了充分的技術保障。
寧德時代牽頭承擔的“新一代鋰離子動力電池產業(yè)化技術開發(fā)” 項目進展：據(jù)報道，該項目基于TS16949的產品開發(fā)流程，研發(fā)以高鎳三元材料為正極、硅碳復合物為負極的鋰離子動力電池，可將鋰離子動力電池的比能量從150-180Wh/kg大幅提高至300Wh/kg以上。2018年1月7日，中國科學院院士歐陽明高在電動汽車百人會主辦的論壇活動上演講提到，寧德時代牽頭承擔的項目，電芯能量密度已達304Wh/kg，循環(huán)壽命約1000次，安全性全部通過。
天津力神電池牽頭承擔的“高比能量密度鋰離子動力電池開發(fā)與產業(yè)化技術攻關”項目進展：據(jù)報道，該項目團隊已開發(fā)能量密度達260Wh/kg的動力電池單體，相比彼時電動汽車普遍使用的動力電池能量密度提升了30%，在350次充放電循環(huán)后容量保持率達到83.28%；同時開發(fā)出了能量密度達280Wh/kg以及300Wh/kg的動力電池樣品。項目包括研制新型高鎳正極材料、硅碳復合負極材料、新型電解液等，研究成果將進一步拓展應用于方型和圓形動力電池，覆蓋全系列動力電池產品。
上述項目如能順利產業(yè)化，將進一步提升相關企業(yè)在動力電池研制領域的領導者地位，促進電池技術發(fā)展及應用。
來源：中國儲能網(wǎng)
