中國儲能網(wǎng)訊：電動車的飛速發(fā)展對其動力電池的需求以及性能要求越來越高，動力電池也迎來了裝機量爆發(fā)的“高光時刻”，發(fā)展前景一片光明。
業(yè)界認(rèn)為，電動車的電池性能仍然具備廣闊的提升空間，尤其是能量和功率密度、循環(huán)壽命、安全性和快充性能等多個維度，因此基于差異化的出行需求，將為動力電池發(fā)展提供方向。
本期《環(huán)球零碳》的“碳中和人物專訪系列”專訪了孔祥澤博士?？紫闈墒情L安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生，專注于研究鋰離子電池，主要研究方向是從鋰離子電池的正極材料角度提升電池性能?？紫闈刹┦靠蒲衅陂g，獲得國家留學(xué)基金委公派出國項目資格赴芬蘭阿爾托大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換課題組研學(xué)2年，專注于鋰離子電池鎳酸鋰基高鎳正極材料研究。
孔祥澤博士
Q1、為什么會想到用不同元素?fù)诫s改變電池性能？
A、目前電動汽車電池已商業(yè)化的正極材料是高鎳材料，像特斯拉等知名電動車品牌就是走的這種技術(shù)路線。但目前制約電動汽車發(fā)展的原因主要是電池的能量密度，快充性能，安全性等，孔祥澤博士表示。
所謂電池能量密度（Energy density），就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。在一定條件下，新能源汽車的單次最大行駛里程主要取決于電池的能量密度。電池的能量密度越大，單位體積或單位重量內(nèi)儲存的電量就越多。
孔博士表示，自己曾經(jīng)和出租車師傅聊天時了解到，目前大部分電動車即使充滿電，但也跑不了長途，只能在市區(qū)跑一跑。這就是受限于電池的能量密度。
電動汽車的快充性能（倍率性能）是另一個需要突破的問題。就像某手機宣傳語提到“充電5分鐘，通話2小時“，消費者自然希望充電越快越好，這樣可以大大節(jié)省時間。另一方面，瞬時加速度也和電池的倍率性能有關(guān)，電動汽車在制動后必須具有快速恢復(fù)行駛速度的能力；其次，電動汽車在我國部分地區(qū)不可避免的需要在低溫環(huán)境下工作，而鋰離子電池在低溫下的倍率性能仍是一個挑戰(zhàn)。
目前電動汽車動力源主要是鋰離子電池，鋰離子電池主要是由正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜四大關(guān)鍵材料組成，每個部分對電池性能的影響都很大。而孔祥澤博士所在的課題組主要的研究方向就是鋰離子電池中的正極材料。
目前市面上的電動車動力電池的正極材料主要是鎳酸鋰基高鎳正極材料（LiNiO2-based Ni-rich materials）。和鈷酸鋰正極材料相比，盡管這種鎳酸鋰基正極材料的實際放電容量更高，但該材料體系面臨著合成困難和循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，這是由于其的晶體結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致。
圖說：鎳酸鋰晶體結(jié)構(gòu)
來源：[1]
孔博士解釋說，鎳酸鋰晶體的層狀結(jié)構(gòu)，在電池充電、放電過程中，在鋰離子嵌入和脫出后可能會引起“陽離子混排”問題，也就會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)坍塌和有害相變（高電壓下尤為明顯）的發(fā)生。由此導(dǎo)致材料的容量降低，循環(huán)穩(wěn)定性變差。
通常來說，即我們?nèi)粘Ｊ謾C電池使用年限較長時（電池充電多次后），可以使用的時間越來越短，放電容量大不如從前。為了改善電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性，可以摻雜一些其他元素，一定程度穩(wěn)定原晶體結(jié)構(gòu)，抑制陽離子混排問題、有害相變的發(fā)生，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
Q2、在研究幾種單元素?fù)诫s劑中，哪種效果最好？
A、孔博士科研期間主要研究了銅 [1]，鋁[2]，鎢[3]等摻雜劑對鎳酸鋰基摻雜本體的作用機理。
鋁離子摻雜主要是考慮到其儲量大，低成本?？撞┦勘硎荆绻援a(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，那么成本是一項十分重要的影響因素。如果將貴金屬如金、鉑摻雜到材料體系中，即使是性能有所改善，但是并不契合產(chǎn)業(yè)化的宗旨，也不利于進(jìn)入消費者市場。鋁是我們常見的金屬，地殼中含量也較豐富，價格低廉。鋁摻雜對鎳酸鋰材料的的穩(wěn)定性提升十分明顯。
與未摻雜材料相比，適宜濃度的鋁摻雜材料在0.5C電流密度測試時，循環(huán)400次的容量保持率從59%提升到81%。
圖說：鋁摻雜正極材料性能
來源：[2]
此外，針對鎳酸鋰材料體系還研究了銅和鎢元素的摻雜，它們均可提高電池的性能，但孔博士表示不同摻雜劑對摻雜本體的作用機理不同。綜合多方面考慮，認(rèn)為鋁摻雜的效果最佳。
Q3、研究成果有哪些運用？
A、孔博士表示課題組關(guān)于銅摻雜的研究，對電池回收過程有一定的指導(dǎo)意義。
鋁和銅都是電池電極材料中制造集流體的金屬，一般鋁作為正極材料的集流體，銅是負(fù)極集流體?？紤]到鋰離子電池已大規(guī)模商用，世界范圍內(nèi)的鋰離子電池廢料的數(shù)量增長迅速使得回收問題越來越受重視。
孔博士說，銅是鋰離子電池的回收過程中的主要雜質(zhì)之一，由于銅具有較高的溶解常數(shù)，很難在鋰離子電池回收產(chǎn)物中完全分離出來?？撞┦堪l(fā)現(xiàn)微量的銅摻雜對鎳酸鋰正極材料的穩(wěn)定性有提升作用，因此在鋰離子電池正極材料的回收過程中，不必將銅元素完全去除。
除此之外，單元素?fù)诫s也一定程度上提高了正極材料的倍率性能，也即是所謂的快充性能，對電動車的發(fā)展有著借鑒意義。
Q4、電池性能提升還有哪些路徑？
A、結(jié)合多種改性方式，如顯微結(jié)構(gòu)調(diào)控，材料表面包覆，多元素?fù)诫s等路徑；也可以通過調(diào)整一些元素的比例來選擇性地放大材料某方面的優(yōu)點。
市面上的電動車動力電池的正極材料主要是NMC811（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2）或者NMC622（LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2），注意他們的分子式錳、鈷、氧元素系數(shù)之和都是1，本質(zhì)上都是鎳酸鋰正極材料的衍生物。
孔博士告訴《環(huán)球零碳》，這里的錳、鈷元素也可以看作是“摻雜”，通過調(diào)配兩者在鎳酸鋰基材料分子式的占比，會獲得不同效果的電池性能。鎳是提高材料放電容量的主力，并且成本較低。鈷在高鎳三元體系材料中的作用是減少陽離子混排，穩(wěn)定材料的晶體結(jié)構(gòu)，但是鈷含量過高會導(dǎo)致材料的實際容量降低，材料成本上升和污染環(huán)境等問題。錳可以抑制材料相變維持晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高安全性，但也不能過量。
特斯拉就是采用的高鎳電池，“特斯拉電池去鈷化”的話題引起了廣泛關(guān)注。但相關(guān)參數(shù)是商業(yè)化數(shù)據(jù)，是保密的?？傊瑸榱诉M(jìn)一步提升動力電池的能量密度，正極材料發(fā)展趨勢是更高鎳含量的方向。
Q5、對電池安全性問題的看法？
A、孔博士表示，電池的安全性是應(yīng)該解決的首要問題。
對于消費者來說，電動汽車的性能固然重要，但是其安全性應(yīng)排在第一位。目前，電動汽車爆炸的情況時有發(fā)生。由于液態(tài)電解液的存在，鎳酸鋰基正極材料會有安全性問題。正極材料本身有O2釋放的問題，釋放出的O2可以與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)。
針對這一問題，固態(tài)電池利用固體電解質(zhì)，相比于液態(tài)電解質(zhì)，安全性將大大提高。國務(wù)院《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021~2035）》中，也明確要求“加快固態(tài)動力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”。中汽數(shù)據(jù)預(yù)計，全球固態(tài)電池有望2030年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
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參考資料：
[1]Kong, Xiang-Ze, et al. "Effect of Copper-Doping on LiNiO2 Positive Electrode for Lithium-Ion Batteries." Journal of The Electrochemical Society 167.14 (2020): 140545.
[2]Kong, Xiangze, et al. "New insights in Al‐doping effects on the LiNiO2 positive electrode material by a sol‐gel method." International Journal of Energy Research 45.7 (2021): 10489-10499.
