中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：工業(yè)、航空、國(guó)防等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)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(shí)我國(guó)也面臨國(guó)際的競(jìng)爭(zhēng)，這些年日本、美國(guó)、英國(guó)、歐盟都提出了一些電池的國(guó)家計(jì)劃來加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，希望在源頭上進(jìn)一步布局，搶占制高點(diǎn)[1]。我國(guó)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)電池技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究，加強(qiáng)高比能、長(zhǎng)壽命、智能化電池材料及電池系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)，重視固態(tài)鋰電池等新興電池技術(shù)的發(fā)展，從源頭上實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)，希望能夠主導(dǎo)新一代電池的發(fā)展。前瞻性電池技術(shù)主要包含電池材料創(chuàng)新、電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、電池先進(jìn)制造/表征技術(shù)、電池?cái)?shù)字化等。
內(nèi)文
1 電池材料體系創(chuàng)新
對(duì)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(xué)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(fù)極、復(fù)合金屬鋰負(fù)極以及高安全的固態(tài)電解質(zhì)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(yáng)離子混合氧化還原的特性可以顯著提高能量密度，被認(rèn)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(duì)(通常為Ni2+/Ni4+, Co3+/Co4+, 少量Mn3+/Mn4+)，此外氧陰離子氧化還原電對(duì)(O2－/O－/O2)提供額外的比容量，實(shí)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(duì)較低電壓下循環(huán)壽命高，可達(dá)到2 000次以上。最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所李泓和禹習(xí)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(fù)極研制了一種10 Ah級(jí)軟包鋰二次電池，質(zhì)量比能量達(dá)到711.30 Wh/kg，體積比能量達(dá)到1 653.65 Wh/L[3]。
(2)復(fù)合金屬鋰負(fù)極結(jié)構(gòu)及界面保護(hù)
金屬鋰電池的負(fù)極將傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨負(fù)極材料替換為鋰金屬，使用金屬鋰作為負(fù)極有望大幅降低電池的質(zhì)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(fù)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(dá)到3 860 mAh/g。在未來正極的開發(fā)中也會(huì)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(shì)，可以實(shí)現(xiàn)超出常規(guī)鋰電池40%以上的比能量，達(dá)到400 Wh/kg以上。采用硫或者氧氣作為正極時(shí)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(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致短路和熱失控的問題。為抑制鋰金屬負(fù)極在充放電過程中表面鋰枝晶的生長(zhǎng)，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(zhǎng)：首先是鋰負(fù)極界面保護(hù)策略，構(gòu)建表面人工SEI膜；其次是開發(fā)金屬鋰復(fù)合負(fù)極，通過合金骨架以及梯度親鋰元素，誘導(dǎo)鋰限域內(nèi)致密沉積，抑制枝晶生長(zhǎng)。
(3)硅負(fù)極
目前鋰離子電池負(fù)極以石墨負(fù)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(fù)極中使用越來越多的硅提升電池能量密度。硅碳負(fù)極材料目前商業(yè)化應(yīng)用的比容量在450 mAh/g以下，主要用于3C數(shù)碼。硅碳負(fù)極是電池廠長(zhǎng)期的選擇方向，本質(zhì)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(fù)極被視為下一代鋰離子電池的理想負(fù)極材料，硅材料的理論比容量高達(dá)4 200 mAh/g，超過傳統(tǒng)石墨材料的10倍以上，采用硅基負(fù)極材料的鋰電池質(zhì)量比能量可以提升8%以上，同時(shí)每千瓦時(shí)電池的成本可以下降至少3%[5]。美國(guó)安普瑞斯(Amprius)公司通過在集流體表面原位生長(zhǎng)出定向排列的硅納米線形成硅納米陣列負(fù)極，硅納米線(陣列)負(fù)極結(jié)構(gòu)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(xué)性能，硅納米線的比容量達(dá)到3 400 mAh/g，首次效率達(dá)到94%以上[6]。
(4)固態(tài)電解質(zhì)
市面上大多數(shù)鋰電池使用的是有機(jī)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(yīng)，不僅影響電池壽命，同時(shí)有機(jī)易燃電解液引起的安全問題引發(fā)了民眾對(duì)鋰電池安全性的疑慮。從產(chǎn)品升級(jí)角度來看，目前液態(tài)電池運(yùn)用高鎳正極+硅基負(fù)極體系，350 Wh/kg或?qū)⒔咏簯B(tài)電池的極限能量密度，無法獲得進(jìn)一步的突破。采用固態(tài)電解質(zhì)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(dá)到500 Wh/kg，同時(shí)具有高安全的特點(diǎn)，為下一代能源存儲(chǔ)設(shè)備提供了一種很有發(fā)展前途的解決方案，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已成為產(chǎn)業(yè)與科學(xué)界的共識(shí)[7]。固態(tài)電解質(zhì)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(dǎo)率和嚴(yán)重的固-固界面問題，其實(shí)際應(yīng)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(dá)到了400 Wh/kg, 在壓力之下循環(huán)性達(dá)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(fù)合集流體技術(shù)
復(fù)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(guān)注[10]。與傳統(tǒng)集流體采用較為純粹的鋁箔和銅箔不同，復(fù)合集流體是一種“三明治”結(jié)構(gòu)的電池材料，外面兩層由銅金屬或鋁金屬構(gòu)成，中間層是PET、PP或PI材質(zhì)的基層薄膜。斯坦福大學(xué)崔屹教授團(tuán)隊(duì)提出了一種超輕的基于聚酰亞胺的復(fù)合集流體，配備該復(fù)合集流體的電池可以實(shí)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(zāi)[11]。近期，崔屹教授團(tuán)隊(duì)又設(shè)計(jì)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(fù)合集流體具有制造成本低、安全性高、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使用復(fù)合集流體的電池能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)；當(dāng)然也有一些劣勢(shì)，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(gè)較長(zhǎng)的過程。目前，下游動(dòng)力、儲(chǔ)能和3C數(shù)碼等電池廠商積極推進(jìn)復(fù)合集流體產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用布局，搭載寧德時(shí)代麒麟電池的極氪009和極氪001均使用了復(fù)合集流體，年底上市的塞力斯問界M9也可能應(yīng)用復(fù)合鋁箔。
2 電池創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電池技術(shù)的前瞻性布局主要涉及新材料、創(chuàng)新電池結(jié)構(gòu)等方面。由于電池材料短期內(nèi)難以取得突破，電池比能量難以大幅度增長(zhǎng)，電池技術(shù)目前屬于微創(chuàng)新階段，通過電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大幅提升成組效率，基于“高度集成與極簡(jiǎn)化”的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造，可以實(shí)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(zhuǎn)向了電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新來提高動(dòng)力電池體積利用率，成為各廠家的選擇。
(1)雙極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
采用雙極型鋰二次電池通過內(nèi)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(jié)構(gòu)，使電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程比以往車型增加了20%，快充同樣可以達(dá)到30 min以內(nèi)。由于零件數(shù)量可控制在原有的1/5到1/4左右，預(yù)計(jì)成本可降低40%。所謂雙極結(jié)構(gòu)是將單面分為正極和負(fù)極的集電體堆疊而成的構(gòu)造，在雙極型鋰二次電池中雙極板作為正負(fù)極的載體，需要同時(shí)具有高壓氧化穩(wěn)定性和還原穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)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(zhǔn)無誤地堆疊這些集電體，則存在技術(shù)難點(diǎn)。2023年黃富強(qiáng)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(cè)試最大充電電壓達(dá)7.6 V，比能量約為310 Wh/kg，并且實(shí)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(jié)構(gòu)演化中，電芯大容量發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)成為主流共識(shí)。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(zhǎng)度)展現(xiàn)出了更高的能量和功率優(yōu)勢(shì)[13]。電芯設(shè)計(jì)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(gè)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(hào)統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)在動(dòng)力市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟。2017 年，由于性價(jià)比不占優(yōu)勢(shì)，圓柱電池轉(zhuǎn)戰(zhàn)電動(dòng)工具、電動(dòng)兩輪車領(lǐng)域。2020 年，特斯拉 Model 3 等車型銷量帶動(dòng) LG 以及松下的圓柱電池在國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池出貨量提升，圓柱重返動(dòng)力市場(chǎng)，可以說圓柱動(dòng)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(shè)計(jì)成了長(zhǎng)薄形似刀片的單體電池，采用CTP無模組方案，由于電芯結(jié)構(gòu)的變化，電池包的設(shè)計(jì)也改變了，取消傳統(tǒng)電池的殼體結(jié)構(gòu)，由刀片電池來充當(dāng)電池的梁，也充當(dāng)電芯。再采用蜂窩鋁板的設(shè)計(jì)，上下兩面粘貼兩個(gè)高強(qiáng)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(zhǎng)50%，制造成本降低30%，且可承受碰撞高溫與穿刺等安全等級(jí)測(cè)試，將極大地拓展鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域，已為特斯拉電動(dòng)車等批量供貨，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的技術(shù)革命，引領(lǐng)進(jìn)入磷酸鐵鋰超級(jí)電池時(shí)代。
3 先進(jìn)電池制造及表征技術(shù)
(1)人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)輔助電池研發(fā)
在儲(chǔ)能材料特別是電池材料領(lǐng)域，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)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(qiáng)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(shù)，極大地促進(jìn)了電池材料研究、電池器件設(shè)計(jì)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(yīng)用每天都會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)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(jìn)大規(guī)模和高性能電化學(xué)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(yù)測(cè)技術(shù)
隨著學(xué)科交叉的深入，電池建模領(lǐng)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(qiáng)電池運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。為了確保電池的高效安全運(yùn)行，提高鋰離子電池系統(tǒng)的使用壽命，預(yù)測(cè)電池的剩余壽命和評(píng)估電池的健康狀態(tài)(SOH)至關(guān)重要。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài)和參數(shù)，人工智能可以預(yù)測(cè)電池的壽命和故障風(fēng)險(xiǎn)，提前進(jìn)行維護(hù)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(luò)對(duì)電池SOH進(jìn)行分析存在一些問題，在實(shí)際應(yīng)用中，電池的運(yùn)行條件非常復(fù)雜，需要多種方法相結(jié)合才能獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。未來可以基于服役環(huán)境下電源系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和多物理場(chǎng)耦合失效理論，通過多維傳感信息傳輸導(dǎo)入實(shí)現(xiàn)與服役物理實(shí)體的短時(shí)狀態(tài)與長(zhǎng)時(shí)性能同步，對(duì)狀態(tài)、故障進(jìn)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(yùn)行可靠性。
4 其他
(1)電池快充設(shè)計(jì)
從電池端整體發(fā)展沿革來看，目前動(dòng)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(bǔ)能焦慮，進(jìn)一步縮短充電時(shí)間，成為當(dāng)前提升電動(dòng)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(shù)場(chǎng)景。大倍率充放電時(shí)正負(fù)極極耳溫度高是電池快充技術(shù)的一大瓶頸，4680采用的無極耳技術(shù)，使集流體與正負(fù)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?dǎo)流面積和過電流能力，降低電池內(nèi)阻和發(fā)熱量，實(shí)現(xiàn)安全快充。
(2)極端環(huán)境電池設(shè)計(jì)
儲(chǔ)能電網(wǎng)、航空器件、智能裝備和寒地輸運(yùn)設(shè)備等領(lǐng)域不斷發(fā)展，呈現(xiàn)出載荷多樣化和任務(wù)復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)，一方面設(shè)備組成越來越復(fù)雜，對(duì)電池動(dòng)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(yùn)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(diǎn)和瓶頸。探索極端環(huán)境下電池的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性等基礎(chǔ)科學(xué)問題，發(fā)現(xiàn)新原理，開發(fā)新材料、新技術(shù)、新器件和新系統(tǒng)，既具有重大的科學(xué)意義，也具有重大的應(yīng)用價(jià)值。近期浙江大學(xué)范修林研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)并驗(yàn)證了一套新型極端電解液設(shè)計(jì)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(zhì)的電解液開辟了一條全新的研究途徑。基于此理念，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(nèi)進(jìn)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(nèi)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(jié)論與展望
鋰離子電池仍然是最主流的商用電池技術(shù)，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、電動(dòng)汽車等領(lǐng)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(dòng)汽車長(zhǎng)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(yīng)用。未來鋰電池技術(shù)將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。提升能量密度： 研究新型電極材料、電解液和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高鋰電池的能量密度，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更高的功率輸出。增強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)。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(dòng)其在電動(dòng)汽車和能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。實(shí)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(duì)有限資源的依賴，實(shí)現(xiàn)鋰電池產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。多功能應(yīng)用：結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)，開發(fā)具有智能監(jiān)測(cè)、自愈合等功能的智慧型鋰電池，滿足不同領(lǐng)域的需求。
目前，全球在電池研發(fā)方面的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，政府和社會(huì)資本以及參與團(tuán)隊(duì)高度重視并加強(qiáng)在先進(jìn)電池方面的創(chuàng)新。我國(guó)應(yīng)在科技計(jì)劃中加大對(duì)下一代電池技術(shù)領(lǐng)域的部署，在新興電池領(lǐng)域形成國(guó)家戰(zhàn)略科技力量，以贏得未來電池產(chǎn)業(yè)全球競(jìng)爭(zhēng)的主動(dòng)性。應(yīng)建立國(guó)家級(jí)的先進(jìn)電池創(chuàng)新中心、產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，充分利用國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)電池的原始創(chuàng)新和基礎(chǔ)科學(xué)問題的深入研究。
