中國儲能網(wǎng)訊：工業(yè)、航空、國防等領域的快速發(fā)展，對電池能量密度、功率密度、安全性、使用壽命、極端環(huán)境適用性和降低成本等方面提出了更高的要求。同時我國也面臨國際的競爭，這些年日本、美國、英國、歐盟都提出了一些電池的國家計劃來加強基礎研究，希望在源頭上進一步布局，搶占制高點[1]。我國應當加強電池技術領域基礎研究，加強高比能、長壽命、智能化電池材料及電池系統(tǒng)技術開發(fā)，重視固態(tài)鋰電池等新興電池技術的發(fā)展，從源頭上實現(xiàn)科技自立自強，希望能夠主導新一代電池的發(fā)展。前瞻性電池技術主要包含電池材料創(chuàng)新、電池結構創(chuàng)新、電池先進制造/表征技術、電池數(shù)字化等。
內文
1 電池材料體系創(chuàng)新
對鋰電池能量密度、安全的追求是電池制造永恒的主題，而鋰電池屬于電化學體系，底層的材料創(chuàng)新帶來的性能提升和降本更為顯著。下一代電池新材料包括高容量富鋰錳基正極、高鎳三元、高壓鈷酸鋰、納米硅負極、復合金屬鋰負極以及高安全的固態(tài)電解質材料等。
(1)高比容量富鋰錳基正極材料
在目前的正極材料中，富鋰錳基層狀氧化物基于陰陽離子混合氧化還原的特性可以顯著提高能量密度，被認為是最有前途的候選者之一[2]。富鋰錳基正極材料可以看作由Li2MnO3和LiMO2兩種成分組成，一般組成可表示為xLi2MnO3(1－x)LiMO2 (0<x<1，M=Ni、Co、Mn等過渡金屬及其組合)。富鋰錳基正極材料在高電壓下(>4.5 V)具有極高的理論比容量(>350 mAh/g)和可逆比容量(>250 mAh/g)。高容量的來源不僅僅是由過渡金屬離子組成的氧化還原電對(通常為Ni2+/Ni4+, Co3+/Co4+, 少量Mn3+/Mn4+)，此外氧陰離子氧化還原電對(O2－/O－/O2)提供額外的比容量，實現(xiàn)高比容量。富鋰錳基正極材料減少了昂貴的Co和Ni的用量，相比于鈷酸鋰和三元材料，富鋰錳基正極材料的成本較低；在4.2 V相對較低電壓下循環(huán)壽命高，可達到2 000次以上。最近，中國科學院物理研究所李泓和禹習謙研究員課題組基于高容量富鋰錳基氧化物正極和超薄金屬鋰負極研制了一種10 Ah級軟包鋰二次電池，質量比能量達到711.30 Wh/kg，體積比能量達到1 653.65 Wh/L[3]。
(2)復合金屬鋰負極結構及界面保護
金屬鋰電池的負極將傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨負極材料替換為鋰金屬，使用金屬鋰作為負極有望大幅降低電池的質量和體積，這是鋰金屬電池高能量密度的重要來源[4]。從電壓上來看，負極在未來采用金屬鋰后可以提升電壓差至5 V，這無疑帶來續(xù)航能力的提升。從比容量上來看，金屬鋰的比容量能達到3 860 mAh/g。在未來正極的開發(fā)中也會用到富鋰錳基這類高比容量的材料，以其材料本身的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)超出常規(guī)鋰電池40%以上的比能量，達到400 Wh/kg以上。采用硫或者氧氣作為正極時鋰金屬電池具有更高的理論比能量，例如鋰硫(Li-S)和鋰氧(Li-O2)電池的理論比能量分別為2 600和3 505 Wh/kg。盡管鋰金屬電池具有很高的能量密度，但是仍然存在著鋰沉積/剝離過程中枝晶生長會導致短路和熱失控的問題。為抑制鋰金屬負極在充放電過程中表面鋰枝晶的生長，研究人員主要采取了兩種策略改善鋰沉積/剝離行為和抑制枝晶生長：首先是鋰負極界面保護策略，構建表面人工SEI膜；其次是開發(fā)金屬鋰復合負極，通過合金骨架以及梯度親鋰元素，誘導鋰限域內致密沉積，抑制枝晶生長。
(3)硅負極
目前鋰離子電池負極以石墨負極為主流，但已接近性能極限，商業(yè)上可用的鋰離子電池現(xiàn)在負極中使用越來越多的硅提升電池能量密度。硅碳負極材料目前商業(yè)化應用的比容量在450 mAh/g以下，主要用于3C數(shù)碼。硅碳負極是電池廠長期的選擇方向，本質上是打開能量密度上限、控制膨脹率、提升循環(huán)壽命。硅基負極被視為下一代鋰離子電池的理想負極材料，硅材料的理論比容量高達4 200 mAh/g，超過傳統(tǒng)石墨材料的10倍以上，采用硅基負極材料的鋰電池質量比能量可以提升8%以上，同時每千瓦時電池的成本可以下降至少3%[5]。美國安普瑞斯(Amprius)公司通過在集流體表面原位生長出定向排列的硅納米線形成硅納米陣列負極，硅納米線(陣列)負極結構在脫嵌鋰過程中體現(xiàn)了很好的可逆性，也有著非常突出的電化學性能，硅納米線的比容量達到3 400 mAh/g，首次效率達到94%以上[6]。
(4)固態(tài)電解質
市面上大多數(shù)鋰電池使用的是有機液態(tài)電解液，這類電池在充電放電過程中不可避免地發(fā)生副反應，不僅影響電池壽命，同時有機易燃電解液引起的安全問題引發(fā)了民眾對鋰電池安全性的疑慮。從產(chǎn)品升級角度來看，目前液態(tài)電池運用高鎳正極+硅基負極體系，350 Wh/kg或將接近液態(tài)電池的極限能量密度，無法獲得進一步的突破。采用固態(tài)電解質替代電解液的全固態(tài)電池能夠適配更高容量的材料，比能量有望達到500 Wh/kg，同時具有高安全的特點，為下一代能源存儲設備提供了一種很有發(fā)展前途的解決方案，推動其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已成為產(chǎn)業(yè)與科學界的共識[7]。固態(tài)電解質可以分為氧化物、硫化物、聚合物、鹵化物等，由于固態(tài)電池存在著低離子電導率和嚴重的固-固界面問題，其實際應用遇到了巨大挑戰(zhàn)[8]。目前硫化物固態(tài)電池10 Ah電芯樣品比能量達到了400 Wh/kg, 在壓力之下循環(huán)性達到了800次以上，但尚未解決無壓力或低壓力下的循環(huán)性、安全性等問題[9]。
(5)復合集流體技術
復合集流體通過減厚、減重可提高電池的能量密度，且因聚合物自身絕緣、受熱收縮、熔融等特性可提高電池的安全性，因此吸引了產(chǎn)業(yè)界研究者的諸多關注[10]。與傳統(tǒng)集流體采用較為純粹的鋁箔和銅箔不同，復合集流體是一種“三明治”結構的電池材料，外面兩層由銅金屬或鋁金屬構成，中間層是PET、PP或PI材質的基層薄膜。斯坦福大學崔屹教授團隊提出了一種超輕的基于聚酰亞胺的復合集流體，配備該復合集流體的電池可以實現(xiàn)比能量提高16%~26%，并在短路和熱失控等極端條件下快速自熄火災[11]。近期，崔屹教授團隊又設計出了一種新穎的多孔集流體，使用該集流體的軟包電池展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能(充電6 min，SOC從0提升到54.3%)。復合集流體具有制造成本低、安全性高、兼容性強等優(yōu)點，使用復合集流體的電池能量密度高、循環(huán)壽命長；當然也有一些劣勢，比如生產(chǎn)效率低、影響電池輸出功率等問題，這就意味著行業(yè)的發(fā)展還需要一個較長的過程。目前，下游動力、儲能和3C數(shù)碼等電池廠商積極推進復合集流體產(chǎn)業(yè)化應用布局，搭載寧德時代麒麟電池的極氪009和極氪001均使用了復合集流體，年底上市的塞力斯問界M9也可能應用復合鋁箔。
2 電池創(chuàng)新結構設計
電池技術的前瞻性布局主要涉及新材料、創(chuàng)新電池結構等方面。由于電池材料短期內難以取得突破，電池比能量難以大幅度增長，電池技術目前屬于微創(chuàng)新階段，通過電池結構創(chuàng)新大幅提升成組效率，基于“高度集成與極簡化”的產(chǎn)品設計與制造，可以實現(xiàn)電池“高比能、高安全、高可靠、低成本”。因此行業(yè)將更多的精力從電池材料創(chuàng)新轉向了電池結構創(chuàng)新，通過結構創(chuàng)新來提高動力電池體積利用率，成為各廠家的選擇。
(1)雙極結構設計
采用雙極型鋰二次電池通過內部串聯(lián)疊層的方法可提高電池的能量密度。豐田公司開發(fā)了這種新型的電極結構，使電動汽車續(xù)航里程比以往車型增加了20%，快充同樣可以達到30 min以內。由于零件數(shù)量可控制在原有的1/5到1/4左右，預計成本可降低40%。所謂雙極結構是將單面分為正極和負極的集電體堆疊而成的構造，在雙極型鋰二次電池中雙極板作為正負極的載體，需要同時具有高壓氧化穩(wěn)定性和還原穩(wěn)定性。這種結構不但體積更小，且比HEV電池里使用的大電流集電體的面積更大，但要精準無誤地堆疊這些集電體，則存在技術難點。2023年黃富強教授等人發(fā)展出了全鋁集流的鋰離子電池和雙極性固態(tài)電池軟包器件，其測試最大充電電壓達7.6 V，比能量約為310 Wh/kg，并且實現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)1 200 h以上[12]。
(2)4680圓柱電池
在電池電芯結構演化中，電芯大容量發(fā)展趨勢已經(jīng)成為主流共識。相比常用的18650或21700圓柱形電池，特斯拉引入的4680電池(46 mm直徑，80 mm軸向長度)展現(xiàn)出了更高的能量和功率優(yōu)勢[13]。電芯設計方面，僅外形尺寸變化，4680電池度電成本較21700降低14%左右，單個電芯電量隨體積增大提至5.48倍，而外殼用料增加不到3倍。圓柱電池早期憑借其型號統(tǒng)一、標準化生產(chǎn)在動力市場站穩(wěn)腳跟。2017 年，由于性價比不占優(yōu)勢，圓柱電池轉戰(zhàn)電動工具、電動兩輪車領域。2020 年，特斯拉 Model 3 等車型銷量帶動 LG 以及松下的圓柱電池在國內動力電池出貨量提升，圓柱重返動力市場，可以說圓柱動力電池的發(fā)展基本由特斯拉把握著方向盤。
(3)刀片電池
刀片電池設計成了長薄形似刀片的單體電池，采用CTP無模組方案，由于電芯結構的變化，電池包的設計也改變了，取消傳統(tǒng)電池的殼體結構，由刀片電池來充當電池的梁，也充當電芯。再采用蜂窩鋁板的設計，上下兩面粘貼兩個高強度鋁板，刀片電池排列其中。比亞迪公司2020年推出磷酸鐵鋰刀片電池，在不改變電池體系的條件下使電池能量密度增長50%，制造成本降低30%，且可承受碰撞高溫與穿刺等安全等級測試，將極大地拓展鋰離子電池應用領域，已為特斯拉電動車等批量供貨，實現(xiàn)了鋰離子電池的技術革命，引領進入磷酸鐵鋰超級電池時代。
3 先進電池制造及表征技術
(1)人工智能/機器學習輔助電池研發(fā)
在儲能材料特別是電池材料領域，機器學習技術已被廣泛應用于預測和發(fā)現(xiàn)材料的性能。過去研究人員不斷地嘗試不同的材料和工藝，這種方式效率低下，難以滿足快速發(fā)展的高科技產(chǎn)業(yè)需求。人工智能(AI)具有強大的高速、海量數(shù)據(jù)處理能力，是突破上述研究瓶頸的最具潛力的技術，極大地促進了電池材料研究、電池器件設計與制造、材料與器件表征等方面的發(fā)展[14]。電池的研發(fā)與應用每天都會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，人工智能和機器學習可以協(xié)助研究人員解決鋰離子電池的參數(shù)和數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)，極大地推進大規(guī)模和高性能電化學能源器件的產(chǎn)業(yè)化。
(2)人工智能輔助壽命以及健康狀態(tài)預測技術
隨著學科交叉的深入，電池建模領域越來越多地采用各種人工智能方法來提高電池管理效率，增強電池運行的穩(wěn)定性和可靠性。為了確保電池的高效安全運行，提高鋰離子電池系統(tǒng)的使用壽命，預測電池的剩余壽命和評估電池的健康狀態(tài)(SOH)至關重要。通過實時監(jiān)測電池的狀態(tài)和參數(shù)，人工智能可以預測電池的壽命和故障風險，提前進行維護和更換，確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。目前使用神經(jīng)網(wǎng)絡對電池SOH進行分析存在一些問題，在實際應用中，電池的運行條件非常復雜，需要多種方法相結合才能獲得更準確的結果。未來可以基于服役環(huán)境下電源系統(tǒng)基礎理論和多物理場耦合失效理論，通過多維傳感信息傳輸導入實現(xiàn)與服役物理實體的短時狀態(tài)與長時性能同步，對狀態(tài)、故障進行多源信息融合的協(xié)同診斷，提高服役工況下的智能化管理水平與全生命周期運行可靠性。
4 其他
(1)電池快充設計
從電池端整體發(fā)展沿革來看，目前動力電池已經(jīng)基本上解決了安全性能問題，且在續(xù)航上已普遍突破600公里，甚至可突破1 000公里，逐步化解續(xù)航焦慮。因而能夠打破終端里程焦慮、補能焦慮，進一步縮短充電時間，成為當前提升電動化滲透率的重要維度，快充成為眾多企業(yè)加碼布局的技術場景。大倍率充放電時正負極極耳溫度高是電池快充技術的一大瓶頸，4680采用的無極耳技術，使集流體與正負極之間的電流傳輸方式由傳統(tǒng)的線傳輸變?yōu)槊鎮(zhèn)鬏?，從而大幅提升導流面積和過電流能力，降低電池內阻和發(fā)熱量，實現(xiàn)安全快充。
(2)極端環(huán)境電池設計
儲能電網(wǎng)、航空器件、智能裝備和寒地輸運設備等領域不斷發(fā)展，呈現(xiàn)出載荷多樣化和任務復雜化的發(fā)展趨勢，一方面設備組成越來越復雜，對電池動力系統(tǒng)的比能量和功率密度提出了更高的要求；另一方面，各種裝備主要運行在各種極端環(huán)境下，電池系統(tǒng)的電能輸出特性一直是裝備發(fā)展的焦點和瓶頸。探索極端環(huán)境下電池的熱力學、動力學和穩(wěn)定性等基礎科學問題，發(fā)現(xiàn)新原理，開發(fā)新材料、新技術、新器件和新系統(tǒng)，既具有重大的科學意義，也具有重大的應用價值。近期浙江大學范修林研究員團隊開發(fā)并驗證了一套新型極端電解液設計原則，打破了傳統(tǒng)的鋰離子傳輸模式，并為具備特殊物化性質的電解液開辟了一條全新的研究途徑?；诖死砟睿瑘F隊設計出一款新型電解液，不僅能夠支持高比能鋰離子電池在－70~60 ℃的超寬溫區(qū)內進行可逆地充放電，還可以使高能量密度鋰離子電池在10 min內完成快速充放電。該研究成果為開發(fā)具有高容量、高穩(wěn)定性和寬溫度工作范圍的鋰離子電池提供了新思路和可能性。
5 結論與展望
鋰離子電池仍然是最主流的商用電池技術，廣泛應用于手機、平板電腦、筆記本電腦、電動汽車等領域。然而鋰電池在安全性、能量密度、成本和資源可持續(xù)性等方面仍存在一些挑戰(zhàn)。例如，鋰電池在極端條件下可能出現(xiàn)過熱、爆炸等安全問題；能量密度仍有提升空間，以滿足電動汽車長續(xù)航里程的需求；鋰資源的有限性也制約了鋰電池的大規(guī)模應用。未來鋰電池技術將朝著以下幾個方向發(fā)展。提升能量密度： 研究新型電極材料、電解液和結構設計，以提高鋰電池的能量密度，實現(xiàn)更長的續(xù)航里程和更高的功率輸出。增強安全性：開發(fā)新型電解液、隔膜和電池管理系統(tǒng)，提高鋰電池的安全性，減少發(fā)生過熱、燃燒或爆炸的風險。降低成本：優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高制造效率，降低鋰電池的生產(chǎn)成本，推動其在電動汽車和能源存儲領域的廣泛應用。實現(xiàn)資源可持續(xù)性：探索新型鋰資源開采方式、提高回收利用率，減少對有限資源的依賴，實現(xiàn)鋰電池產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。多功能應用：結合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術，開發(fā)具有智能監(jiān)測、自愈合等功能的智慧型鋰電池，滿足不同領域的需求。
目前，全球在電池研發(fā)方面的競爭日趨激烈，政府和社會資本以及參與團隊高度重視并加強在先進電池方面的創(chuàng)新。我國應在科技計劃中加大對下一代電池技術領域的部署，在新興電池領域形成國家戰(zhàn)略科技力量，以贏得未來電池產(chǎn)業(yè)全球競爭的主動性。應建立國家級的先進電池創(chuàng)新中心、產(chǎn)學研聯(lián)盟，充分利用國家實驗室、國家重點實驗室、龍頭企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)研發(fā)中心的研發(fā)能力，共同推動電池的原始創(chuàng)新和基礎科學問題的深入研究。
