详解动力锂电池产业化发展的路径

随着不同技术路线动力锂电池产品工程化、商业化发展，锂离子动力锂电池技术正朝着更高的能量密度、循环寿命等指标逐渐进步。其中，正极材料采用高镍三元材料，负极加入纳米硅形成硅碳负极材料，电解质逐渐由液态发展为固态，以实现更高的锂离子电池能量密度产品与相关市场领域产业化。

1高镍三元正极材料

1.1技术原理、优缺点

三元材料目前是高能量密度动力锂电池最优选择。高镍三元短时间内正在成为动力锂电池应用主流。三元材料结合了镍（提升电池容量）、钴（提高离子导电性）、锰（稳定结构）的性能优势，是近阶段高能量密度、高性能和低成本的主流产品。到2020年，我国高镍三元锂离子电池产业化能量密度指标是300Wh/kg，力争实现350Wh/kg。

高镍三元材料在技术方面仍存在一定的缺点。一是高镍三元材料的镍比例提升，加剧镍锂离子混排，降低了放电比容量；二是镍在脱嵌锂过程中相变导致体积变化，降低了材料结构稳定性，进而导致循环寿命下降；三是碳酸锂等杂质在高镍正极材料上更易形成，高温环境会导致胀气，杂质与电解液发生副反应，最终导致循环寿命下降，；四是镍含量的新增出现热量，使得正极材料热稳定性下降；五是高镍三元材料表面杂质新增，电解液配方优化方法目前仍属难题。

1.2研发及产业化、重要研发公司

国际方面，松下、三星SDI、LG化学等公司高镍三元电池已经实现量产（松下镍钴铝三元材料电池配套特斯拉车型，镍、钴、铝比例为8:1.5:0.5，单体电芯能量密度为300Wh/kg）。

国内方面，目前公司普遍在研发三元材料622体系、811体系技术，尚未大规模量产。宁德时代、比亚迪、力神、国轩高科等行业领先公司在高镍三元锂离子电池研发方面已取得进展。比亚迪、中航锂电、比克电池的正极材料采用高镍三元材料，负极材料选用纳米硅材料体系,2020年能量密度拟提升到300Wh/kg。宁德时代高能量密度电芯采用高镍三元/硅碳材料体系,计划2020年达300Wh/kg。国轩高科、中电力神、亿纬锂能的高能量密度电芯采用高镍三元正极和硅基负极材料体系,计划2020年达300Wh/kg。

2硅碳负极材料

2.1技术原理、优缺点

纳米硅与石墨形成的硅碳负极材料，能够有效提升锂离子电池的克容量，进一步实现更高的能量密度。从目前已产品化的硅碳负极材料性能来看，相比于石墨负极材料而言，硅碳负极材料最大的优势在于比容量的提升。硅碳负极材料的最低比容量均都超过石墨负极材料的理论比容量。石墨的理论能量密度是372mAh/g，硅负极的理论能量密度高达4200mAh/g。

尽管如此，硅碳负极材料目前仍存在缺点，一是硅体积在充放电的过程出现体积膨胀100%～300%，一定程度上影响电导率。二是硅为半导体，导电性与石墨存在差距，在锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，首次库伦效率发生下降。

2.2研发及产业化、重要研发公司

国际方面，特斯拉Model3使用硅碳负极的动力锂电池，电池容量达到了550mAh/g以上，能量密度达到300Wh/kg。日本GS汤浅研发的硅基负极锂离子电池，已应用于三菱等知名品牌汽车；日立集团麦克赛尔公司已研发出高容量硅负极锂离子电池。

国内方面，宁德时代、国轩高科、比亚迪、比克、力神、中航锂电等公司已经在硅碳负极电池研发方面取得进展。同时国内负极材料生产公司均在硅碳负极领域有所布局，贝特瑞、紫宸等公司已率先推出多款硅碳负极材料已纳入上述动力锂电池研发体系，杉杉能源已将硅碳负极材料进行产业化。硅碳新型负极材料已成为电池和材料公司产品研发的主攻方向。

3固态电解质

3.1技术原理、优缺点

固态电池，是一种应用固体电极和电解质的电池。目前包括全固体锂离子电池、锂空气电池等（金属锂与氧进行可逆反应）。全固态锂离子电池是锂离子电池的一种创新体系。一是电芯中业态电解质含量逐渐下降，固液混合电解质逐步替代液态电解质，并最终发展成为全固态电解质。电解质重要包括两大类，一类是有机聚合物固态电解质，一类是无机聚合物固态电解质。其中的固态电解质不同于传统的锂离子电池业态电解质，具有高离子电导率、高离子迁移数、机械性能好、热稳定性好，具有良好的兼容性。

固体电解质相比液态电解质稳定性好，电极材料不会溶解。更多较高电化学稳定性的固体材料电解质正在研究，未来正负极材料正朝着更高电压、更大电流容量密度方向发展。但与此同时，固态电池的产业化发展存在成本较高，阻抗和电导率导致充电倍率偏低，以及电极与电解质界面阻抗过大等缺点。

3.2研发及产业化、重要研发公司

国际方面，丰田在固态电池领域具有较长的研究历史，其锂硫体系电池已在美国成功申请专利，该体系最大特点在于良好的热稳定性和安全性，成为最具产业化发展的技术路线。SolidPower公司则采用锂金属作为负极技术路线，研发更高能量密度的产品，并于宝马公司开展产业化合作。此为，三星SDI、现代集团、日立集团、法国Bolloré、美国Sakti3等公司也在固态电池自主研发方面取得进展，力求早日实现产业化。

国内方面，中科院宁波所以锂金属负极和锂硫体系为方向，研究不同电解质体系的高安全性、高倍率性固态电池。中科院青岛能源与过程研究所提出离子导电聚合物体系，该体系由高分子聚合物和锂盐构成，该体系对结构的力学强度有明显提升。此外，宁德时代、中电力神、赣锋锂业、国能电池等国内公司已开展400Wh/kg以上高能量密度固态电池研发和制造工艺研究，固态电池替代当前锂离子电池的产业化进展逐渐加快。