干货好文！车用动力电池关键材料技术及发展趋(3)

目前动力电池的最终能量密度主要是由正极材料决定，因为负极材料和电解液一般采用冗余配置，正极材料的比容量远小于常用的石墨负极材料的比容量。细化来看，现阶段主导动力电池市场的是磷酸铁锂材料和三元材料，随着材料技术的进步和电动汽车对续航里程的追求，高容量的NCM和NCA三元材料将迎来发展机遇期。2018年后容量更高的NCM622材料的市场份额将会稳步增加，2021年NCM622材料的市场份额将会达到40%以上，在2021年之后容量更高的NCM811材料将会强势崛起，在2025年NCM811材料将会占据动力电池正极材料的半壁江山。容量同样较高的NCA材料由于成本等因素的限制，市场份额将会一直维持在比较稳定的水平。

表3?正极材料综合性能对比

总体来看，采用高容量、高电压的正极材料是提高电池比能量的最佳方式，对于提高电动车的续航性能具有重要意义。正极材料的发展趋势为NCM111-NCM622-NCM811，NCA材料则将会过渡到高镍NCA材料。

2.2 高比能量、高安全性的负极材料

动力电池采用的负极材料主要有石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、硅碳及钛酸锂等，负极材料综合性能对比如表4所示。低成本、高安全性和高比能量是负极材料继续发展的方向，目前锂离子动力电池的主流选择仍然是石墨类材料。为了提高负极材料的能量密度，行业公认的有效途径之一是在石墨材料加入制备硅碳复合材料或者硅。硅的理论能量密度是石墨材料的10倍，高达4200mAh/g。根据报道，特斯拉采用的松下电池的能量密度提高到550mAh/g以上，因为其在传统石墨负极材料中加入了10%的硅。另外，硅在常温下可与锂合金化，生成Li15Si4相，理论比容量高达3572mAh/g，远高于商业化石墨理论比容量(372mAh/g)，而且硅元素在地壳中储量丰富(26.4%，第2位)，因此硅负极材料是最具发展潜力的下一代锂离子电池负极材料之一，一直受到研究人员的广泛关注。但动力电池在充放电过程中，由于硅的体积会膨胀100%～300%，负极极片上的活性材料会脱落从而降低了电池的循环寿命。为了实现长循环和低膨胀的硅碳复合负极材料开发，生产壳核结构或者特殊形貌的硅碳复合材料等是解决技术问题的手段之一。

表4?负极材料综合性能对比

总之，随着我们对动力电池能量密度要求的提升，当前及今后一段时间内产业化及应用的重点方向将会是合金类材料，尤其是硅碳复合材料。

2.3 隔膜

隔膜作为离子运输的通道，本身不参与电化学反应，电池的倍率、安全及循环等性能受到隔膜的显著影响。隔膜材料方面，聚烯烃材料是主流的选择，主要有单层膜和复合膜，包括聚乙烯及聚丙烯两大类产品。改善隔膜材料可以发展基于聚烯烃(尤其是聚乙烯)的隔膜，隔膜材料研发的重点仍将是提高隔膜的安全特性和电化学特性。对隔膜材料表面进行表面改性处理可以提高动力电池的安全性。薄型化的隔膜材料是当前的发展趋势，为了进一步提升动力电池能量密度，使用薄型化隔膜不仅可以提高正负极材料的含量，而且可以降低隔膜的比重。近几年，三元电池开始应用16μm、12μm甚至8μm的湿法隔膜，经过工艺改进的干法隔膜也能够应用于三元电池中。

2.4 电解液

随着不断完善和改进的电极材料，对与之匹配的电解液的要求也加大了，高环境适应性和高安全性是行业对电解液的基本要求。在接下来的一段时间内，六氟磷酸锂仍是动力电池的主流产品选择，因为开发新型电解液体系难度很大。一些新型锂盐如双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)得到了初步的应用，其电导率较高和在溶剂中的溶解度也较高，并且能提升电池的循环寿命和充放电性能，具有更高的安全性和更宽的工作温度。但其缺点是成本高、杂质含量多和高温稳定性差，目前主要作为辅料添加剂与六氟磷酸锂配合使用。

针对不同特性的电极材料和不同用途的动力电池，功能电解液添加剂的开发和溶剂配比的优化变得特别重要。例如，在电池中加入阻燃添加剂可以防止在高温、过充电、和针刺等极端条件下的安全性能得到提升；为了实现延长电池寿命，可以加入SEI膜成膜添加剂调控SEI膜的组成与结构。目前，电解液研发的关键问题是进一步提高电池的安全性和能量密度，锂离子动力电池电解液材料的中远期发展目标主要集中在新型溶剂与新型锂盐、离子液体、添加剂等方面，固态电解质和凝胶电解质也是未来发展的方向。全固态电池也是未来储能电池和动力电池领域发展的重要方向，因为其在能量密度、寿命和安全性等都具有潜在的良好特性。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/zonghexinwen/2021/0624/1055.html