锂离子电池高能量技术研究热点剖析

近期高工产研锂电研究所（GGII）走访了50多家公司和参加多个论坛交流，发现目前锂离子电池在高能量密度技术方面有较大突破。

高能量密度发展路线包括：高电压正极材料、高克容量正负极材料。高电压正极材料通常指电池使用电压高于4.2V的正极材料。钴酸锂、锰酸锂、三元均有高电压材料。

其中高电压钴酸锂商用化已经很成熟，大量应用于高端数码类产品，其能量密度比普通的三元电池要高。目前高电压钴酸锂离子电池电压通常为4.35V，未来3-5年4.4V、4.5V高电压钴酸锂离子电池或可大规模应用。

三元高电压正极材料应用很少，基本处于研究阶段。但三元高电压正极材料或许是未来达到300Wh/kg能量密度的突破口。

目前三元NCM811材料克容量已经超过180mAh/g，通过包覆或者参杂可以实现高电压，同时其克容量也会进一步提高（高电压材料相当于将低电压时没有活性的锂激活，更大限度的利用材料）。但目前三元材料高电压化还有很多技术问题没有解决，材料自身的稳定性尚未解决。

锰酸锂正极材料充电电位可达4.7V，晶格结构非常稳定。

目前锰酸锂离子电池能量密度150Wh/kg，高于磷酸铁锂离子电池能量密度。锰酸锂晶体结构稳定、热稳定性良好，锰酸锂离子电池的安全性非常高。其中锰酸锂-钛酸锂体系电池在快充领域有极好的应用前景。

磷酸铁锂由于容量发挥已经接近理论，通过高电压化难以激活更多的锂，效果非常有限。但磷酸铁锰（钒）锂、硅酸铁锂能量密度更高，是很多研究机构和公司研究的热门领域，硅酸铁锂分子含有两个锂离子，其理论克容量高达332mAh/g。

高电压正极材料要高电压电解液配合使整个电池系统运行良好。要使电解液在高电压环境下稳定运行，必须要提高溶剂的耐氧化性，同时阻断正极与电解液直接接触。提高电解液抗氧化性方法包括氟代溶剂，氟代溶剂价格太高，大规模应用难以实现。

其他新型抗氧化性溶剂如离子液体，具有良好的离子导电性和抗氧化能力，是一种优良锂离子电池溶剂，但目前价格高昂，难以大规模推广。阻断电解液和电解液直接接触的方法包括正极材料包覆，正极成膜添加剂。正极材料包覆和添加剂研究非常多，效果非常明显，是未来提升抗氧化性重要手段。

三元材料大规模开发和应用相对较晚，在能量密度方面还有很大提升空间。目前主流材料厂商已经能做到180mAh/g水平，而三元高镍材料理论容量可达270mAh/g，还有很大提升空间。目前高容量三元材料存在对水敏感、首次效率低、循环差等特点。随着工艺技术进步这些问题或可解决，富锂正极也是很多研究机构和公司研究的热点。

另一方面硅系负极材料可以极大提升负极的克容量。一直以来负极材料均已石墨为主，石墨负极技术已经非常成熟，实际容量已经非常接近理论容量。要提高负极克容量，必须采用其他材料。

而硅锡等金属负极是非常合适的选择，最早日本sony有采用锡复合负极提升电池能量密度，已经向市场推出了高容量18650产品。近几年来硅复合负极得到了重视，其中硅碳复合负极和氧化亚硅-石墨复合负极技术较为成熟，日韩公司已经应用到高容量产品中。

目前国内材料厂、电芯厂也逐步推出硅系负极高容量产品。硅的理论克容量4200mAh/g，但是体积膨胀效应非常大，因此多采用与石墨复合以减小膨胀带来的影响。金属锂负极具有比硅负极更高克容量，但其枝晶问题上没有解决，安全风险高。且金属锂与电解液容易反应，降低其循环寿命。目前金属锂负极电池还难以大规模推向市场。