分析当前动力电池与相关材料的研究进展

受动力电池技术水平所限，新能源汽车续航里程不高、寿命不长(充放电次数低)、衰减率较高，阻碍新能源汽车大规模应用。近日，韩国、日本相继宣布在动力电池材料技术上有突破，未来动力电池成本将下降。

在国轩高科第五届科技创新大会暨第四届动力能源高峰论坛上，北京理工大学吴锋教授和与会嘉宾分享了“动力电池与相关材料研究进展”。

“国家的重大需求促进了动力电池新的飞跃发展，在保证安全性的前提下，高能量、高功率、长寿命、低成本、无污染的新型动力电池正在根据不同的用户需求，形成产业，走向市场。”吴锋表示，“镍氢电池、锂离子电池、高比能新体系电池和超级电容器之间的技术融合十分重要，这种技术融合的本身也是技术创新，它将和互联网一起，为我国新型二次电池的发展，掀开新的篇章!”

吴锋表示，动力电池发展中面临以下问题：能否构建出新一代高比能电池?能否解决电池的安全可靠性问题?能否实现电池的长寿命?能否提高电池的性价比?

吴锋介绍，2015年动力锂离子电池能量密度指标为电芯120-180Wh/kg，材料体系主要是磷酸铁锂-石墨、三元-石墨。2020年新一代动力锂离子电池能量密度指标是：富锂(250mAh/g)-硅碳负极：电芯300Wh/kg。

动力锂离子电池能量密度的提高，除与正负极材料相关外，对所采用电解液的要求也越来越高。吴锋表示，采用NCM三元正极材料和Si/C负极材料，可制备出能量密度319Wh/kg的高比能锂离子电池。

关于300Wh/kg动力电池材料体系研究进展，吴锋表示，研究了二价镍含量对高镍三元正极材料NCM811中锂镍混排现象的影响，发现增加锂的化学计量比，可以增加材料中二价镍的含量，从而降低材料中的锂镍混排，改善材料的循环稳定性能。另外，制备了010晶面优势生长的高镍三元正极材料(LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2)，电化学测量表明该材料具有良高的倍率性能。并设计并研制出电化学活性面优势生长的球状分级结构，显着改善锂离子电池用富锂锰基材料的倍率循环特性倍率性能。

在负极材料研究方面，通过“直接涂膜法”合成无需粘结剂的SiO/CNx复合材料电极。含氮碳网可以缓冲其在循环过程中的体积变化，在SiO表面形成较好的导电网络，为电子传输提供稳定通道。并且采用高能球磨法合成了Si/Ni/石墨复合材料，金属Ni和石墨相互交错形成了良好的导电网络，纳米晶体Si被原位的嵌在SiOx矩阵中，提高了SiOx的电化学活性。

对于功能电解液的研究，设计并研制出一种含硅酸锂的新型泥浆电解液，显着改善高电压锂离子电池正极材料安全、循环稳定等特性。另外还开发出安全性功能电解质和添加剂：将咪唑啉酮类、哌啶环类离子液体、阻燃型磷酸酯添加剂分别与成膜添加剂亚硫酸丁烯酯复合，开发出一系列具有阻燃性和电化学兼容性的功能电解质体系，显着提高了锂离子电池的安全可靠性和温度适应性(将使用温度范围从-20℃至+60℃拓宽到-40℃至+80℃)。并且研制出具有宽电化学窗口、高热稳定性和室温离子电导率达到10-3S/cm量级的“介孔SiO2+离子液体”网络结构的固态化电解质，为解决新型高比能电池安全性问题提供了材料支持。

除了电池材料的研究，吴锋还介绍了电池回收技术的研究进展。他表示，目前二次电池已渗透到国民经济和人民生活的各个领域，电池产量急剧上升，对社会产生了巨大的环境和资源压力，依据我国新能源汽车销量预测，2020年仅动力电池的需求就将达到300亿瓦时，对环境的负面影响将日趋严重，锂资源也将日渐匮乏。采用环境友好的天然有机酸回收新技术，实现了废旧锂离子电池的绿色高效回收(锂和钴浸取率分别为98%和94%)，优于国外使用强酸的工艺技术，避免了强酸回收处理中的二次污染。