鋰離子電池開發(fā)面臨的技術(shù)問題及解決對(duì)策淺析

顧正建，鄧大偉，金園園，嚴(yán) 媛，黃 惠

（1.無(wú)錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，江蘇 無(wú)錫 214028；2.金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215026）

隨著材料體系的更新和生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，鋰離子電池的應(yīng)用范圍越來越寬，已從便攜電子設(shè)備擴(kuò)展到能源交通、發(fā)電儲(chǔ)能、航空航天等領(lǐng)域。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，鋰離子電池可主要分為動(dòng)力型電池和儲(chǔ)能型電池。儲(chǔ)能電池主要應(yīng)用在儲(chǔ)能電源及系統(tǒng)（如發(fā)電儲(chǔ)能、UPS、智能電網(wǎng)）和小型電器（如信息通信、數(shù)字產(chǎn)品）等。動(dòng)力電池主要應(yīng)用在電動(dòng)汽車、輕型電動(dòng)車及電動(dòng)工具等。鋰離子電池具有多個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，針對(duì)其開發(fā)存在的問題和解決對(duì)策，下面將展開具體分析。

1 能量密度

為了提高鋰離子電池的能量密度，人們主要可以從以下幾方面入手。

1.1 提高電化學(xué)活性元素含量，進(jìn)而提升放電比容量

LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（111）、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（523）、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（622）、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（811）等多種類型的多元材料越來越多地被研究。有研究表明，111、523、622三種材料的放電平臺(tái)基本重合，且低于811材料，同時(shí)放電比容量隨著Ni含量的增加而升高。與111材料相比，523、622及811材料的比容量分別增加6.3%、10.4%和29.3%[1]。因此，提升Ni含量必然可以實(shí)現(xiàn)多元正極材料能量密度的提升。

1.2 提高電池電極材料的壓實(shí)密度

電極材料的高壓實(shí)密度一般可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)：一是通過混摻大小顆粒，進(jìn)行級(jí)配驗(yàn)證，可尋找壓實(shí)密度較高的大、小顆粒的混摻組合。研究數(shù)據(jù)表明，通過某種工藝制備的多元材料壓實(shí)密度可以達(dá)到3.75～3.80 g/cm3，相比于常規(guī)多元材料可以提升5%～10%[1]。二是提高現(xiàn)有電極粉體材料的致密化。電極材料的顆粒做得直徑大、更致密化，這也是一種提升壓實(shí)效果的有效手段。

1.3 提升電池的工作電壓

目前，國(guó)內(nèi)外手機(jī)和其他新一代信息技術(shù)電子產(chǎn)品電池的生產(chǎn)廠家都在向高電壓鋰離子電池這個(gè)方向挖掘。高電壓及高能量密度的鋰離子電池在新一代信息技術(shù)電子產(chǎn)品上會(huì)有更大的市場(chǎng)空間。

2 安全性

為了解決鋰離子電池的安全問題，在提高電池單體安全性（本文不做闡述）的同時(shí)，人們應(yīng)從電池組角度入手，強(qiáng)化鋰離子電池成組安全技術(shù)。鋰離子電池組安全技術(shù)主要包括管理系統(tǒng)優(yōu)化、冷卻系統(tǒng)優(yōu)化、安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面[2]。

2.1 鋰離子電池組管理系統(tǒng)

鋰離子電池組管理系統(tǒng)（BMS）是連接電池和宿主設(shè)備的重要紐帶，其主要功能包括：電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；電池狀態(tài)估計(jì)；在線診斷與預(yù)警；充、放電與預(yù)充控制；均衡管理和熱管理等。優(yōu)化BMS不但能維持電池組安全可靠運(yùn)行，而且可延長(zhǎng)電池使用壽命。

2.2 鋰離子電池組冷卻技術(shù)

鋰離子電池組冷卻技術(shù)主要包括風(fēng)冷、液冷和相變材料冷卻。

風(fēng)冷使用空氣散熱器將電池組內(nèi)氣體形成對(duì)流。多數(shù)電動(dòng)汽車采用這種散熱方式來增強(qiáng)車內(nèi)動(dòng)力鋰離子電池組的安全性。

液冷通常將裝載循環(huán)液體的管道安裝在電池模塊間。液冷系統(tǒng)一般有以下部件：液冷塊、循環(huán)液、液泵、管道和液箱。循環(huán)液由液泵的作用在循環(huán)的管道中流動(dòng)吸收電池?zé)崃?。液冷的冷卻效果和冷卻溫度的均勻性均優(yōu)于風(fēng)冷。

相變材料冷卻作為鋰離子動(dòng)力電池組冷卻方案于2000年被首次提出[2]。相變材料是指隨溫度變化而改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供分子熱的材料。轉(zhuǎn)變物質(zhì)狀態(tài)的過程稱為相變過程。目前，用于鋰離子電池冷卻的相變材料有蠟質(zhì)材料和水合鹽材料等。

2.3 安全結(jié)構(gòu)技術(shù)

2.3.1 熱傳播阻斷結(jié)構(gòu)

放置于電池模塊特征單體之間的隔熱材料可用來減少熱失控時(shí)單體之間熱傳播。若將隔熱材料與彈性材料結(jié)合形成復(fù)合材料，還可吸收熱失控沖擊力，實(shí)現(xiàn)熱量和力量的雙重阻斷。國(guó)外科學(xué)家在鋰離子電池包中設(shè)計(jì)了多個(gè)裝載液體或高熔點(diǎn)、低導(dǎo)熱系數(shù)的材料的空心橫梁，將電池包分割成多個(gè)組，延緩各組之間熱失控傳播速度[2]。

2.3.2 泄壓通道

合理的泄壓通道設(shè)計(jì)可隔離失效電池產(chǎn)生的過量氣體和噴射物，抑制熱失控的產(chǎn)生及避免直接加熱附近正常電池。電池組中每只電池可設(shè)計(jì)單獨(dú)的泄壓通道，還可在單獨(dú)泄壓通道內(nèi)增加降溫滅火氣體，如CO2，N2，Ar等，抑制危險(xiǎn)在電池組內(nèi)擴(kuò)散。

3 壽命

本文主要從設(shè)計(jì)和制造工藝角度提出提高鋰離子電池循環(huán)壽命的方法。

3.1 正負(fù)極片需良好匹配

電池設(shè)計(jì)裝配過程中一般要求負(fù)極容量相對(duì)正極適當(dāng)過量，可降低鋰枝晶產(chǎn)生概率，但過量應(yīng)適中，防止正極脫鋰過多，造成結(jié)構(gòu)坍塌。電解液因素也至關(guān)重要，其與正負(fù)極活性物質(zhì)電化學(xué)反應(yīng)過程中、電池化成形成SEI膜時(shí)，會(huì)有電解液損耗，因此電解液的溶劑、添加劑種類和注液量對(duì)電池壽命也至關(guān)重要。

3.2 電池生產(chǎn)過程流程控制需嚴(yán)格

活性物質(zhì)勻漿過程，應(yīng)注意添加劑（黏結(jié)劑、分散劑）的添加量、勻漿速度、溫濕度等，保證漿料均勻；涂布過程，要均衡電池能量密度和壽命的關(guān)系，合理控制活性物質(zhì)涂布量；壓實(shí)環(huán)節(jié)，尋找最佳電極壓實(shí)密度以增大電池的放電容量，減小阻抗，減小電池極化，延長(zhǎng)電池使用壽命；卷繞過程，卷繞終了的電池群結(jié)構(gòu)應(yīng)緊密，隔膜和正負(fù)極卷繞越緊密，電池歐姆阻抗越小，但要保證電解液足夠含浸在各主材中，卷繞過松會(huì)使極片在充放過程中發(fā)生過度膨脹，增大內(nèi)阻，縮短循環(huán)壽命。

4 成本

4.1 原材料成本端

降低原材料成本主要從物理角度和化學(xué)角度出發(fā)。物理角度包括兩個(gè)方面。一是電芯環(huán)節(jié)。圓柱路線目前成本最低，主要通過18 650向21 700等大容量單體切換實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降本；軟包路線成本最高，主要通過規(guī)?；a(chǎn)降低成本，改進(jìn)工藝來提升能量密度；方型路線主要通過大容量與殼體輕量化實(shí)現(xiàn)成本降低。二是PACK環(huán)節(jié)。它是目前的重點(diǎn)突破環(huán)節(jié)，主要通過提升成組效率提升系統(tǒng)能量密度，產(chǎn)業(yè)目標(biāo)為由目前65%水平提升至85%。

化學(xué)角度主要是提升正極材料性能。化學(xué)角度包括Ⅰ正極材料：高鎳NCM材料與NCA材料，高能量密度的正極材料能夠大大減少負(fù)極、隔膜與電解液等材料的用量；Ⅱ負(fù)極材料：硅碳負(fù)極替代切換；Ⅲ隔膜：薄型化隔膜；Ⅳ電解液：新型電解液LiFSi。

4.2 梯級(jí)利用和資源綜合利用

退役電池合理的梯次利用將大大增強(qiáng)電池的經(jīng)濟(jì)效益。一般而言，動(dòng)力電池長(zhǎng)時(shí)間使用后放電容量低于初期標(biāo)定容量的80%時(shí)，電池不宜在電動(dòng)汽車上繼續(xù)使用。但是，一般情況下，容量保持率在60%～80%仍有較大利用價(jià)值。使用的方法在理論研究和示范工程應(yīng)用較多，在商業(yè)化推廣方面還處在初期的探索階段。商業(yè)化的方式有兩種：一是梯次利用，如應(yīng)用于儲(chǔ)能與低速電動(dòng)工具；二是資源綜合利用，提取廢電池中的鎳、鈷等貴重金屬，但是難度較大，目前提取成本仍較高。

4.3 模塊化設(shè)計(jì)與縱向一體化

模塊化就是在相同的基本架構(gòu)上進(jìn)行定制化組合，使得設(shè)計(jì)、生產(chǎn)車輛就像搭積木一樣簡(jiǎn)單、快捷。這一概念的運(yùn)用將極大地節(jié)省研發(fā)成本、驗(yàn)證周期及生產(chǎn)成本。模塊化設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)車領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟，隨著新能源汽車產(chǎn)銷的逐漸擴(kuò)大及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化要求的提出，這一模式也將被廣泛應(yīng)用。

縱向一體化也能夠?qū)崿F(xiàn)交易成本的下降。人們可從上游礦石材料、電池級(jí)材料、電池的PACK和BMS到下游整車的一體化路線，實(shí)現(xiàn)成本的有效下降。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）鋰離子電池開發(fā)面臨的主要技術(shù)問題為：能量密度的提升、安全性的提高、循環(huán)壽命的提高、成本的降低以及環(huán)境適應(yīng)性的增強(qiáng)。

（2）因續(xù)航能力及復(fù)雜適用工況的要求，車用動(dòng)力電池及新一代信息技術(shù)用電池設(shè)計(jì)技術(shù)更側(cè)重于能量密度的提升和使用安全性的提高。分析認(rèn)為，人們可通過提升電化學(xué)活性元素含量，提高電池正極材料的壓實(shí)密度，提高鋰離子電池的工作電壓等方式，提升電池的能量密度。同時(shí)，人們可以通過完善鋰離子電池管理系統(tǒng)，提升鋰離子電池組冷卻技術(shù)，增加電池組內(nèi)熱傳播阻斷、泄壓通道等安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，提高電池組使用安全性。

（3）工業(yè)儲(chǔ)能電池由于大規(guī)模集中使用，并且地點(diǎn)不易變動(dòng)，儲(chǔ)能用鋰離子電池的設(shè)計(jì)更側(cè)重于循環(huán)壽命的提高和成本的降低。分析認(rèn)為，人們可通過正負(fù)極的良好匹配及嚴(yán)控電池生產(chǎn)工藝流程來提高電池使用壽命,可通過降低原材料成本、梯級(jí)利用和資源綜合利用、模塊化設(shè)計(jì)與縱向一體化等手段來降低電池生產(chǎn)成本。

1 劉大亮，劉亞飛，陳彥彬，等.高能量密度鋰離子電池正極材料的發(fā)展趨勢(shì)[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2014，11（1）：41-45．

2 胡棋威，彭元亭，李文斌.鋰離子電池成組安全技術(shù)研究進(jìn)展[J].船電技術(shù)，2015，35（5）：35-39．