高能量密度锂电池开发策略

发布时间：2024-03-24 02:03

　　近年来各国政府对锂电池的发展都提出了阶段性的目标,要在满足安全性和其他综合技术指标的前提下,不断提高锂电池的能量密度,其基本思路是不断开发高比能电池材料的组合,并优化电芯设计及制造工艺。本文从材料筛选和电芯设计两方面出发,介绍了高能量密度锂电池的主要开发策略和未来发展趋势。在活性材料方面,总结了高比能锂电池正负极活性材料的研究现状,综合考虑了材料本身的性能和工程化、商业化前景,提出了富锂锰基正极材料和复合金属锂负极材料是高能量密度电池最具发展前景的活性材料;在非活性材料方面,总结了电解液、固态电解质、隔膜在不断提高能量密度的电池体系中可能面临的问题以及解决思路,提出了原位固态化技术是可行的技术路线之一;在电芯设计方面,评估了辅材选择和结构设计对电芯能量密度的影响,提出了高能量密度电芯设计的具体思路。最后,本文对高能量密度锂电池的开发做了全面的展望,提出锂电池的开发应从高能量、高安全、长寿命、快充放、低成本、耐高低温六个维度进行综合考虑,在保障其特定应用场景的使用要求下,不断提升能量密度是用户的终极需求。

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【部分图文】：

图1锂离子电池的技术发展：不断优化现有材料并寻找新材料组合（基于文献原图重新绘制）[2]

锂离子电池能量密度的提升建立在不断优化现有材料并寻找新材料组合的基础上，如图1所示。材料的选择决定了锂离子电池能量密度的理论值。正负极材料是锂离子电池的活性储能材料，提升能量密度的本质在于提升正负极的电势差和材料的比容量。由于应用的多样性导致性能指标要求的多样性，锂离子电池未来还....

图2LiCoO2在充电过程中的结构变化[2,4]

LCO是在消费类电子产品应用中占据主流的一款正极材料，理论容量为274mA·h/g。常用的层状LCO为α-NaFeO2结构，属于六方晶系，晶格中O原子为立方密堆积排列占据6c位，Co和Li交替分布于O层两侧，分别占据氧八面体空隙的3b和3a位。商用LCO的电压已经由最初的4.2....

图3电芯能量密度与NCM的关系（基于某款软包电芯测算）

NCM和NCA正极材料的理论容量约为275mA·h/g，具有类似于LCO的α-NaFeO2结构。NCM又称为三元材料，根据其中Ni、Co、Mn元素的比例来划分，三元材料已由最初的NCM111逐步换代成NCM424、NCM523、NCM622、NCM721、NCM811、NCM9....

图6电芯能量密度与硅氧碳材料容量的关系（基于某款软包电芯测算）

由于纳米硅易于团聚，嵌锂后体积变化较大，且嵌锂后局部电子电导和离子电导率变化大，硅表面不易产生稳定的SEI膜，发展纳米硅碳复合材料是推进硅负极应用的关键。复合材料中，硅或其化合物起储锂作用，是主要活性物质；碳能增强材料的导电性，防止纳米硅团聚和与电解液直接接触，也可以储存一定的锂....

本文编号：3936801