钜大LARGE | 点击量：825次 | 2022年03月21日
未来锂离子电池的一个发展路线
1，目前业界比较公认的锂电发展路线是什么？
经过研发人员和工程师的不懈努力，从铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池，走到磷酸铁锂电池，再到现在主流的三元电池，每一次的提升，都是一代人的努力，基于提升锂电池的安全性、能量密度、倍率性能，再结合目前电池研发现状，总结出了未来锂电池的一个发展路线。
2020年是多阳离子电极，主要以NCM、NCA复合正极材料，负极以C以及部分硅碳复合为主，能量密度大概300-350wh/kg。
2020-2025年，以全固态锂离子电池为主，金属锂负极或硅碳负极。能量密度400wh/kg，同时开发钠离子电池，钠比锂更加廉价，但比锂离子大，且存在液态记忆。
2025年后，主要以锂硫电池-->锂金属电池-->>锂空气电池发展为主，这类电池，能量密度更高，材料的可取性也越来越方便，但目前存在较多难题，还需要继续去攻克，锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675mAh/g和2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的三元电池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
并且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的锂电池；锂金属电池，用锂金属箔来取代石墨，它可以容纳更多的离子，但通常锂金属箔与电解质会产生不良反应，从而导致电解质过热，甚至导致燃烧，这一技术能将当前锂电池的体积缩小一半，从理论上来说，如果电池体积不变，在搭载锂金属电池的情况下，电动汽车的续航里程将提升一倍；锂空气电池，是一种用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极(以多孔碳为主)很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里，理论上，由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能为5.21kWh/kg(包括氧气质量)，或11.4kWh/kg(不包括氧气)。
2，能量载体基本要求有哪些？
（1）原子相对质量要小；
（2）得失电子能力要强；
（3）电子转移比例要高。
3，电池的主要指标有哪些？
（1）容量；
（2）能量密度；
（3）充放电倍率；
（4）电压；
（5）寿命；
（6）内阻；
（7）自放电；
（8）工作温度范围。
4，正极材料（LFP、NCM、LiCo等）特性有哪些？
（1）较高的氧化还原反应电位，高输出电压；
（2）锂元素含量高，能量密度高；
（3）化学反应中结构稳定；
（4）电导率高；
（5）化学稳定性和热稳定性好，不易分解和反应；
（6）价格便宜；
（7）制作工艺相对简单，适合大规模生产；
（8）对环境友好，污染低。
公认的锂电发展路线是什么？
公认的锂电发展路线是什么？
5，负极材料（Li、C、AL、钛酸锂等）特性有哪些？
（1）层状结构或者隧道结构，利于脱嵌；
（2）结构稳定，良好的充放电可逆性和循环性能；
（3）锂离子尽可能多的插入和脱嵌；
（4）氧化还原电位低；
（5）首次不可逆放电容量低；
（6）与电解质溶剂相容性较好；
（7）价格低廉，材料易得；
（8）安全性好；
（9）环境友好。
6，提高电池能量密度的途径通常有哪些？
（1）提高正负极活性物质占比；
（2）提高正负极材料的比容量（克容量）；
（3）减重瘦身。
7，如何提高锂离子电池的充放电倍率？
（1）提高正负极的锂离子扩散能力；
（2）提高电解质的离子电导率；
（3）降低电池内阻（欧姆内阻和极化内阻）。
8，哪些因素影响锂离子电池的循环寿命？
（1）负极金属锂沉积；
（2）正极材料的分解；
（3）SEI的形成和再次消耗；
（4）电解质的影响，主要表现在：总量减少，有杂质存在，水渗入；
（5）隔膜阻塞或破坏；
（6）正负极材料脱落；
（7）外部使用因素。
公认的锂电发展路线是什么？
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9，锂离子电池内部材料反应分解温度？
（1）SEI膜分解，电解液放热反应，130℃；
（2）电解质分解，产热，130℃-250℃；
（3）正极材料分解产生大量气体和氧，180℃-500℃；
（4）粘结剂和负极活性物质的反应，240℃-290℃。
一般由于过充、大倍率放电、内部短路、外部短路、振动、碰撞、跌落、冲击等造成短路，产生大量热和气体的一个过程。
公认的锂电发展路线是什么？
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10，未来最具潜力的几种锂电池材料
（1）硅碳复合负极材料，能量密度高，产业化400wh/kg以上，但体积膨胀严重，循环差；
（2）钛酸锂，循环10000次以上，体积变化＜1%，不形成枝晶，稳定性极好，可快速充电，但价格高，能量密度低，约170wh/kg；
（3）石墨烯，可用于负极材料和正极添加剂，导电性极好，离子传输快，首效差，约65%，循环差，价格高；
公认的锂电发展路线是什么？
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（4）富锂锰基电池，能量密度约900wh/kg，原材料丰富，但首效低，安全和循环差，倍率性能偏低；
（5）NCM三元材料，一般在250wh/kg，配上硅碳负极，约在350wh/kg；
（6）CNTs，碳纳米管，导电性能优越，优异的热传导性；
公认的锂电发展路线是什么？
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（7）涂覆隔膜，基膜+PVDF+勃姆石，提高隔膜耐收缩性、热传导低，防止全部热失控；
（8）高电压电解液，这个就不用说了，随着能量材料能量密度，电压也相应提高；
（9）水性粘结剂，出于环境保护和健康。
预锂化，讲这个之前，先给大家讲一下，半电池（正极为正极材料，负极为金属锂片）和全电池的首效问题。
这是钴酸锂半电池首效，不理解全电池和半电池没关系，你就理解成这是正极材料的首效。
公认的锂电发展路线是什么？
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从上图我们可以看出，半电池的首次充电容量要略高于首次放电容量，也就是说，充电时从正极脱嵌的锂离子，并没有100%在放电时回到正极。而首次放电容量/首次充电容量，就是这个半电池的首次效率。
磷酸铁锂正极半电池首效
公认的锂电发展路线是什么？
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三元正极半电池首效
公认的锂电发展路线是什么？
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从上面几张图可以看出，三元的首次效率是最低的，一般为85~88%；钴酸锂次之，一般是94~96%；磷酸铁锂比钴酸锂略高一点，为95%~97%。正极材料的首效主要是由于发生脱嵌后，正极材料结构发生变化，没有足够的嵌锂位置，锂离子无法在首次放电时全部回来。
石墨负极半电池首效
公认的锂电发展路线是什么？
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石墨电池半电池和正极不一样的是，石墨做正极，金属锂片做负极，故而先放电，而石墨的首效明显低于正极材料的首效，主要原因就是锂离子穿过电解质，会在石墨表面形成SEI膜，消耗了大量锂离子。而为了SEI膜献身的锂离子则无法回到负极。
全电池首次效率，从电池注液后，需要经过化成（仅充电）和分容这（有充放电）的工序，一般而言，化成以及分容第一步都是充电过程，二者容量加和，就是全电池首次充入容量；分容工步的第二步一般是从满电状态放电至空电，因此此步容量为全电池的放电容量。将二者结合起来，就得到了全电池首次效率的算法：
全电池首次效率=分容第二步放电容量/（化成充入容量+分容第一步充入容量）
日常中一般为了减少偏差，取第二次完全放电容量为电池容量。
综上，我们可以得出一个结论。若电池正极使用了首次效率为88%的三元材料，而负极使用了首次效率为92%的石墨材料。对这款全电池而言，首次效率就是88%，也就是当正极首效为88%、负极首效为92%时，全电池的首效为88%，与较低的正极相等。
当然，除了电池材料影响首效，电极材料的比表面积也是一个重要的影响因素，石墨的比表面积越大，形成的SEI膜越大，需要消耗的锂离子更多，首效更低。此外还与电池的化成充电制度有关，充入合适的SOC，也会一定程度上影响电池的首效。
公认的锂电发展路线是什么？
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对全电池而言，化成时负极界面形成的SEI膜会消耗掉从正极脱嵌的锂离子，并降低电池的容量。如果我们可以从正极材料外再寻找到一个锂源，让SEI膜的形成消耗外界锂源的锂离子，这样就可以保证正极脱嵌的锂离子不会浪费于化成过程，最终就可以提高全电池容量。这个提供外界锂源的过程，就是预锂化。
下面我将借用一片文章来给大家讲述一下主要的预锂化方法，而我只见过一种，就是负极喷涂锂粉的方法。
1，负极提前化成法
我们可以让负极单独化成，待负极形成SEI膜后再与正极装配，这样就可以避免化成对正极锂离子的损耗，并大幅提升全电池的首次效率及容量，如示意图：
公认的锂电发展路线是什么？
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在上图中，负极片与锂片被浸泡在电解液中，并有外电路连接充电。这样就可以保证化成时消耗的锂离子来源于金属锂片而非正极。待负极片化成完毕后，再与正极片装配，电芯已不需要再进行化成，从而不会由于负极形成SEI膜而损失正极的锂离子，容量也就会明显提高。
这种预锂化方法的优点是可以最大限度的模拟正常化成流程，同时保证SEI膜的形成效果与全电池相近。但是负极片的提前化成和正负极片的装配这两个工序，操作难度过大。
2，负极喷涂锂粉法
由于使用负极片单独化成补锂难以操作，因此人们想到了直接在负极极片上喷涂锂粉的补锂方法。首先要制作出一种稳定的金属锂粉末颗粒，颗粒的内层为金属锂，外层为具有良好锂离子导通率和电子导通率的保护层。预锂化过程中，先将锂粉分散在有机溶剂中，然后将分散体喷涂在负极片上，接着将负极片上的残留有机溶剂干燥，这样就得到了完成预锂化的负极片。后续的装配工作与正常流程一致。
化成时，喷涂在负极上的锂粉会消耗于SEI膜的形成，从而最大限度的保留从正极脱嵌的锂离子，提高全电池的容量。
下图为负极硅合金、正极钴酸锂全电池的效率对比图，可以看出在负极进行了预锂化之后，首次效率有了明显的提升：
公认的锂电发展路线是什么？
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采用这种预锂化方法的缺点是安全性较难保证，材料及设备改造成本较高。
3，负极三层电极法
由于设备及工艺的局限性，单纯的为了预锂化而进行高成本的改造并非电池厂的优先选择，如果可以用电池厂熟悉的方式完成预锂化，那推广性就大幅增强了。下面所说的三层电极法，对电池厂的操作就更为简单。三层电极法的核心在于铜箔的处理，铜箔示意图如下：
公认的锂电发展路线是什么？
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与正常铜箔相比，三层电极法的铜箔被涂上了后期化成所需要的金属锂粉，为了保护锂粉不与空气反应，又涂上了一层保护层；负极则直接涂在保护层上。装配后单层电极的整体示意图如下：
公认的锂电发展路线是什么？
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当电芯完成注液后，保护层会溶解于电解液中，从而让金属锂与负极接触，化成时形成SEI膜所消耗的锂离子由金属锂粉补充。充电后的电极图示如下：这种方法对电池厂加工条件没有苛刻要求，但是保护层在极片收放卷、辊压、裁切等工位的稳定性是对电极材料研发的很大挑战，金属锂粉化成消失后负极材料粘结性的保证也颇有难度。
4，正极富锂材料法
在企业里工作的小伙伴们一定都曾深切的体会过：即便实验室条件下能够成功的东西，挪到企业的规模化生产后也很可能困难重重。设备的改造成本、材料的批量投入成本、加工环境的控制成本等都可能成为新技术无法推广的致命伤。对于锂电这一工艺、设备已经基本成熟的行业而言，企业优先选择的预锂化方案，一定会是一个不用做太多现场改动、甚至拿过来就能直接推广的方法。而正极富锂材料法，恰好满足了电池厂这一方面的需求。
所谓正极富锂法，可以简单理解为，有这么一种材料，在化成的时候，她的正极释放出的锂离子个数，是目前所用的材料所能释放的锂离子个数的好几倍。当负极首效低于正极时，化成时就会有太多的锂离子损耗于负极，造成放电后正极有效空间无法被锂离子欠满，形成正极嵌锂空间的浪费。如果在正极中加入少量的高克容量富锂化材料，这样既可以为化成时SEI膜的形成提供更多的锂离子，也不用担心放电时富锂化材料无法再次嵌锂（因为化成时已经将富锂材料提供的锂离子全部消耗）。
上面所述的各种预锂化方法，针对的都是负极首效低于正极的全电池，全电池预锂化后，首次效率最高也只能达到正极材料半电池的水平。而对于正极首效更低的电池而言，上面的方法则基本无能为力，原因是此时全电池的首效受限于正极充电后不再有足够的嵌锂空间，即使外界补锂，也无法嵌入正极，因而没有作用。学习电动车锂电池组装知识购买锂电池点焊设备就找淮安远征新能源科技，智慧锂电智能保护跑得快寿命长里程远，了解更对点击蓝色字体链接锂电池组装基础知识培训
