加拿大高校聯(lián)合特斯拉研發(fā)低壓超長壽命電池 在二十五攝氏度條件下最高可使用一百年

面對高油價和新能源汽車帶來的高性能的駕駛體驗(yàn)，人們開始逐漸接受新能源汽車。同時，新能源汽車的快速普及也得益于近年來鋰電技術(shù)的快速發(fā)展。

LiMO2（其中M通常是Ni、Mn和Co的混合物）和LiMPO4（其中M通常是Fe），這兩種材料是鋰離子電池中最常用的兩種正極材料類型，它們分別構(gòu)成了三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，一般簡稱為NMC電池和LFP電池。

這兩種電池在使用時，在影響電池單元的特性和性能方面上往往是截然相反的。因此，使用不同電池技術(shù)的汽車制造商都會重點(diǎn)介紹其所選用電池的優(yōu)點(diǎn)。那么，這兩種電池之間到底有怎樣的區(qū)別呢？

對于NMC電池來說，正電極通常具有高能量和高比容量，在更高的電壓下工作會導(dǎo)致更多的氧化條件，影響其工作壽命。并且，高電壓還會導(dǎo)致帶電狀態(tài)下的穩(wěn)定性和安全問題。

因?yàn)樵诟唠妷簵l件下，NMC電池的正電極的一些可能的失效模式，包括不可逆相變，電解質(zhì)氧化和粒子開裂可能會發(fā)生。相反地，LFP電池因?yàn)榫哂懈〉谋热萘?、體積容量以及較低的工作電壓，因此與NMC電池相比更加穩(wěn)定和安全。

在傳統(tǒng)NMC電池中為了使NMC電池的工作電壓保持在4.2伏以上，負(fù)電極將會保留足夠的石墨來維持此電壓，這使得正極中存在未被利用的鋰離子而降低電池使用壽命。如果在這種配置中降低電池的充電電壓，則會導(dǎo)致石墨未被利用而剩余。有研究已經(jīng)表明，在2.5伏～3.78伏之間運(yùn)行的電池被證明比在2.5伏～4.2伏之間運(yùn)行在使用壽命方面更具優(yōu)勢。

大多數(shù)電池制造商都專注于建立使用當(dāng)前成熟的電池技術(shù)，而來自加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的著名科學(xué)家和研究員杰夫·達(dá)恩則更關(guān)注未來5年、10年或15年世界將需要的電池。

2019年，達(dá)恩教授等學(xué)者首次提出EV電池在需要更換之前可能持續(xù)使用160萬公里。達(dá)恩教授也與特斯拉在電池研發(fā)方面保持著密切的合作。2015年，特斯拉與達(dá)恩教授團(tuán)隊(duì)簽訂了5年的研究合作伙伴合同，并且特斯拉在其研究團(tuán)隊(duì)的幫助下，獲得了很多電池技術(shù)上的突破。

2021年，雙方進(jìn)行了五年的合同續(xù)約，繼續(xù)在鋰電技術(shù)研發(fā)上進(jìn)行保持合作伙伴關(guān)系。多年來，該課題組一直保持與特斯拉合作從事電池的研究，為電動汽車和能源儲存帶來更持久、更快充電、更便宜的電池。

最近，達(dá)恩教授課題組與特斯拉合作，針對新型三元鋰電池進(jìn)行研究。相關(guān)論文以《Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2實(shí)現(xiàn)長壽命低壓鋰離子電池可作為LiFePO4的優(yōu)越替代品》為題發(fā)表，該成果證明可長時間使用高達(dá)100年的電池是可能的。

這是一個里程碑式的研究成果，將會引領(lǐng)更多的科研人員對長壽命電池展開相關(guān)的研究。該工作通過詳細(xì)介紹如何使NMC電池單元的性能平衡到低于傳統(tǒng)電壓的操作，并與LFP電池單元進(jìn)行比較，在兩種電池單元類型中實(shí)現(xiàn)了相似的正極電壓和全負(fù)極利用。并證明了在較低電壓工作條件下，NMC電池被認(rèn)為是一種優(yōu)于LFP電池更好的替代品，可以應(yīng)用于一些通常只能針對含LFP電池的場景中。

研究人員通過對傳統(tǒng)NMC電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過制備單晶Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2的正極材料的電池（簡稱為NMC532電池），使其可在較低的3.8伏電壓以下運(yùn)行。同時，電池的性能參數(shù)例如庫倫效率、容量衰減和能量密度在低壓條件下都優(yōu)于傳統(tǒng)電池。

對比不同電池組合下的放電容量和平均充放電電壓

經(jīng)過計算，該新型電池可以在25攝氏度時的使用壽命最高將接近100年。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，NMC532的能量密度超過LFP電池，并且在40攝氏度、55攝氏度以及70攝氏度溫度下的循環(huán)壽命大幅度超過LFP電池。

并且，在NMC電池的設(shè)計中使用的電解質(zhì)為雙氟磺酰亞胺鋰鹽，通過圖片（上圖）證明了該電解質(zhì)在高溫下的使用壽命，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)電池中使用的六氟磷酸鋰鹽。

LFP電池和NMC532電池的近似堆棧能量密度示意圖

圖片顯示了在該研究中，LFP和NMC532電池的堆棧能量密度示意圖?？梢钥吹?，盡管充電電壓只有3.8伏，但是NMC532電池所產(chǎn)生的堆棧能量密度為495Wh/L。如果將LFP電池單元的堆棧能量密度增加約3%時可以接近440Wh/L,但該數(shù)值仍然小于NMC532電池。

除了比LFP電池更長的壽命外，在該項(xiàng)技術(shù)中所使用到的低電壓工作的NMC電池，為改進(jìn)未來鋰電的發(fā)展和使用它們的相關(guān)設(shè)備提供了許多機(jī)會。例如加快充電速度，因?yàn)榈驼扯热軇┤缫宜峒柞ズ鸵宜嵋阴タ梢允箍焖俪潆姷囊后w電解質(zhì)具有更好的電化學(xué)相容性，但因?yàn)檠趸€(wěn)定性較低，無法在高電壓下運(yùn)行。

而NMC532電池在低電壓下的運(yùn)行避免了相當(dāng)大的氧化應(yīng)激。同時，因?yàn)镹MC532電池可以在低電壓運(yùn)行，因此使混合型LFP+NMC正電極成為可能。NMC 532和LFP電池中所包含的負(fù)電極材料基本上是相同的，同一低電壓下的兩種正電極材料的協(xié)同工作為未來結(jié)合兩種材料優(yōu)勢的新型電池提供了可能。

那么，特斯拉將來什么時候會把該項(xiàng)技術(shù)投入到實(shí)際量產(chǎn)車呢？研究人員表示，可能還需要很久。因?yàn)槟壳皝碚f，他們的新電池成本比LFP電池更高，并且可能不具備電動汽車所需的功率特性。

但該項(xiàng)技術(shù)可能非常適合長期儲能，因?yàn)檫@樣新電池技術(shù)所需的較高成本將被延長的使用壽命所抵消。但是，隨著該論文的發(fā)表，以這項(xiàng)技術(shù)為基礎(chǔ)的后續(xù)研究將帶來更多可能。畢竟新能源汽車不論是經(jīng)濟(jì)性、舒適性還是環(huán)保角度都是最優(yōu)的選擇，巨大的市場將會刺激技術(shù)的快速研發(fā)。

總體而言，低電壓工作的NMC532電池的使用壽命和能量密度都是優(yōu)于LFP電池。如果考慮LFP電池的能量密度不足、使用壽命較低這些因素時，該技術(shù)所體現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)就應(yīng)該值得重視。當(dāng)然，這并不能認(rèn)為LFP電池應(yīng)該被淘汰，因?yàn)榭刂瞥杀竞透甙踩缘囊蛩厥遣荒鼙缓雎缘摹?/p>