中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電動(dòng)汽車的續(xù)航里程對(duì)于駕駛與乘坐體驗(yàn)很重要，而電池的能量密度是續(xù)航里程的重要決定因素。工信部、發(fā)改委、科技部于2017年4月印發(fā)的《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》提出如下發(fā)展目標(biāo)：到2020年，新能源汽車動(dòng)力電池單體比能量（能量密度）達(dá)到300Wh/kg以上，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)350Wh/kg，系統(tǒng)比能量力爭(zhēng)達(dá)到260Wh/kg；到2025年，動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量達(dá)到350Wh/kg。而截至2017年底，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的單體電芯能量密度一般不到200Wh/kg（國(guó)內(nèi)亦有優(yōu)秀企業(yè)做到220-240Wh/kg），產(chǎn)業(yè)界紛紛致力于進(jìn)一步提高鋰離子電池的能量密度。新型正負(fù)極材料的開發(fā)被提上議事日程。
高鎳三元正極材料
根據(jù)公開科技文獻(xiàn)，三元材料具有和鈷酸鋰類似的α-NaFeO2型層狀巖鹽結(jié)構(gòu)，適合鋰離子的嵌入與脫出，較橄欖石型的磷酸鐵鋰正極材料，在充放電倍率等性能上有更大優(yōu)勢(shì)，使得三元鋰電池較磷酸鐵鋰電池更具能量密度優(yōu)勢(shì)。圖50為三元正極材料制作過(guò)程及晶體結(jié)構(gòu)。鎳鈷錳酸鋰通過(guò)調(diào)配鈷、錳、鎳三種材料的比例，獲得不同的電極特性，如圖51所示。在可承受的熱穩(wěn)定性和容量保持度（capacity retention）范圍內(nèi)，采用高鎳三元材料作為鋰離子電池正極材料，可以提高放電容量（discharge capacity），進(jìn)而提高電池能量密度。理論上講，應(yīng)用基于鎳酸鋰改性的高鎳三元正極材料，有望助力電池能量密度達(dá)到300Wh/kg。
另外，鎳元素比例提高，亦可降低對(duì)資源較為稀缺的鈷之依賴。據(jù)國(guó)軒高科2018年1月24日投資者關(guān)系記錄，該公司升級(jí)后的量產(chǎn)三元622電池產(chǎn)品，正極材料中鎳鈷錳三種金屬比例已達(dá)到6.5:1.5:2，每kWh金屬鈷用量約為三元333電池的40%。
劉嘉銘等2016年于《硅酸鹽學(xué)報(bào)》發(fā)表的《鋰離子電池正極材料高鎳 LiNi1?x?yCoxMnyO2研究進(jìn)展》指出，高鎳NCM層狀材料存在高溫性能差、振實(shí)密度低等缺點(diǎn)，制約其商業(yè)化應(yīng)用，表面包覆改性等技術(shù)可有效減少副反應(yīng)，改善其電化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。
上市公司國(guó)軒高科公告，其通過(guò)多年自主研發(fā)，掌握了該材料晶面生長(zhǎng)控制和快離子導(dǎo)體表面包覆改性技術(shù)，提高了高鎳三元正極材料的加工性能、克容量和循環(huán)壽命，據(jù)2017年1月16日投資者關(guān)系活動(dòng)記錄，屆時(shí)三元電池能量密度將進(jìn)一步提升10%，達(dá)到195-200Wh/kg。我們認(rèn)為，該新一代三元正極材料量產(chǎn)后，將助推公司三元?jiǎng)恿﹄姵氐募夹g(shù)升級(jí)。
富鋰錳基正極材料
根據(jù)公開科技文獻(xiàn)，富鋰錳基固溶體正極材料的化學(xué)式為xLi2MnO3·(1-x)LiMO2，其中M為過(guò)渡金屬M(fèi)n（錳）、Ni（鎳）、Co（鈷）、Ni-Mn（鎳-錳）等。這種材料的放電比容量一般超過(guò)250mAh/g，甚至高達(dá)300mAh/g，且熱穩(wěn)定性高，而目前用作動(dòng)力鋰電池正極材料的磷酸鐵鋰、三元、錳酸鋰之商業(yè)化放電比容量不及200mAh/g。對(duì)比可見，富鋰錳基正極材料的商業(yè)化潛在價(jià)值很大，是提高動(dòng)力鋰電池能量密度的選擇之一。
根據(jù)中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所（簡(jiǎn)稱“中科院寧波材料所”，未來(lái)或更名為“中科院寧波工業(yè)技術(shù)研究院”）于2016年4月發(fā)布的《鋰離子電池富鋰錳基正極材料技術(shù)專利分析報(bào)告》，富鋰錳基正極材料亦存在限制其商業(yè)化應(yīng)用的諸多缺陷，比如：首次不可逆容量過(guò)高、倍率性能較差、循環(huán)過(guò)程中存在電壓衰減、體積能量密度較低、常規(guī)碳酸脂基電解液難以與其匹配等。為了推動(dòng)富鋰錳基正極材料產(chǎn)業(yè)化，需要對(duì)其優(yōu)化改性，如表面包覆、元素?fù)诫s、表面脫鋰處理、引入尖晶石相，以及開發(fā)與其相匹配的高壓電解液，等等。圖52為中科院寧波材料所在富鋰錳基正極材料改性方面的研究，改性后材料的放電容量衰減曲線更為優(yōu)化。
近年來(lái)，在富鋰錳基正極材料的制備、改性及電池應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)多家科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)積極參與其中，并取得相關(guān)專利，包括（但不限于）：中科院寧波材料所、上海空間電源研究所、福建師范大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、寧波大學(xué)等科研院校，中國(guó)一汽、萬(wàn)向電動(dòng)汽車、奇瑞汽車等車企，以及國(guó)軒高科、當(dāng)升科技、國(guó)能電池、江特鋰電池材料等鋰電產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)。國(guó)外的企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)中，美國(guó)安維亞系統(tǒng)公司、三星、索尼、LG化學(xué)、巴斯夫（BASF）、3M、日本株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所（SEL）等，在華申請(qǐng)了相關(guān)研究專利。
中科院寧波材料所將富鋰錳基正極材料和硅碳復(fù)合負(fù)極材料的研發(fā)，納入該機(jī)構(gòu)“高能量密度動(dòng)力鋰電池技術(shù)”重大科研項(xiàng)目中，其“十三五”目標(biāo)為：率先實(shí)現(xiàn)高性能富鋰錳基正極材料和硅碳復(fù)合負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化；應(yīng)用所研發(fā)的高容量正負(fù)極材料，并集成導(dǎo)電粘結(jié)劑、石墨烯導(dǎo)電劑、5V 高安全電解液和離子導(dǎo)體涂層隔膜等新型材料，研制能量密度達(dá)350Wh/kg，體積能量密度≥700Wh/L的新一代動(dòng)力鋰電池，實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化和車載示范應(yīng)用。與此同時(shí)，研發(fā)以鋰離子脫嵌反應(yīng)和電化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)相結(jié)合的多相復(fù)合納米復(fù)合超級(jí)富鋰正極材料，研發(fā)金屬鋰保護(hù)技術(shù)和新型電解質(zhì)體系，設(shè)計(jì)研制出能量密度達(dá)500Wh/kg的下一代高能鋰電池，實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用示范。
硅基負(fù)極材料
在傳統(tǒng)石墨負(fù)極以外的新型負(fù)極材料中，我們預(yù)計(jì)，2020年以前產(chǎn)業(yè)化可行性最高的是硅基負(fù)極材料。
根據(jù)公開學(xué)術(shù)資料，石墨的理論嵌鋰容量為0.372Ah/g，單質(zhì)硅的理論嵌鋰容量高達(dá)4.2Ah/g，是石墨的11.3倍，硅的電壓平臺(tái)略高于石墨。另?yè)?jù)陳丁瓊等專家的《鋰離子電池硅基負(fù)極材料的最新研究進(jìn)展》一文，硅材料還具有較為適中的嵌脫鋰電位（約0.45 V vs. Li/Li+），適合試制下一代鋰離子電池的負(fù)極材料。因此，研發(fā)硅基負(fù)極材料，對(duì)于產(chǎn)業(yè)界提升鋰離子電池的能量密度，具有重要意義。
根據(jù)中科院寧波材料所官網(wǎng)資料及《鋰離子電池硅基負(fù)極專利分析報(bào)告》，硅負(fù)極材料在充放電循環(huán)過(guò)程中存在巨大的體積變化（高達(dá)3倍以上），造成硅顆粒粉化，從而引發(fā)固體電解質(zhì)界面（SEI）膜反復(fù)再生庫(kù)倫效率低，電接觸變差極化增大，使得硅負(fù)極材料的實(shí)際循環(huán)壽命和倍率性能較差。要解決首次充放電效率和循環(huán)穩(wěn)定性的問(wèn)題，需要對(duì)材料進(jìn)行改性處理，比如利用納米化、合金化或碳包覆等手段來(lái)緩沖硅的體積變化，盡量不讓電極表面生成的SEI膜受到破壞，在循環(huán)過(guò)程中不造成新的表面裸露，減少不可逆容量的損失。為了推動(dòng)硅基負(fù)極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用，還需要加速開發(fā)與材料特性相匹配的電解液、粘結(jié)劑和集流體等。
在硅基負(fù)極材料的研發(fā)領(lǐng)域，日本相對(duì)領(lǐng)先，松下、GS湯淺、索尼、三井礦業(yè)、三菱化學(xué)、東芝、日立化學(xué)、豐田、日產(chǎn)、三洋電機(jī)等新能源汽車、電池及材料企業(yè)，在多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域取得突破。韓國(guó)的三星、LG等企業(yè)，亦有重要成果。在中國(guó)，比亞迪、國(guó)軒高科、寧德時(shí)代、貝特瑞、杉杉股份、中科院寧波材料所、力神等科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)，近年來(lái)積極開展相關(guān)研究與產(chǎn)業(yè)化工作。
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目
科技部于2016年6月30日制發(fā)了《關(guān)于對(duì)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車”等10個(gè)重點(diǎn)專項(xiàng)2016年度項(xiàng)目安排進(jìn)行公示的通知》，在新能源汽車領(lǐng)域有19個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目入選，涉及智能化、輕量化、動(dòng)力電池性能改進(jìn)、長(zhǎng)續(xù)航、數(shù)據(jù)網(wǎng)聯(lián)等方向，如表22所示。其中，與鋰電池相關(guān)的項(xiàng)目有5個(gè)，主要以提高能量密度為目標(biāo)，電池制造商國(guó)軒高科、寧德時(shí)代和力神，分別牽頭承擔(dān)了其中的3個(gè)項(xiàng)目。
國(guó)軒高科子公司“合肥國(guó)軒”牽頭承擔(dān)的“高比能量動(dòng)力鋰離子電池的研發(fā)與集成應(yīng)用”項(xiàng)目進(jìn)展：據(jù)科技部網(wǎng)站于2017年5月19日?qǐng)?bào)道，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)完成能量密度達(dá)281Wh/kg和302Wh/kg的電池單體樣品。這兩種電池皆采用硅基負(fù)極材料，前者采用高鎳正極材料，后者采用富鋰正極材料。據(jù)公司2018年1月17日投資者關(guān)系活動(dòng)記錄，該項(xiàng)目進(jìn)展順利，公司已開發(fā)出三元811軟包電芯，能量密度到達(dá)302Wh/kg；并已開始建設(shè)相關(guān)產(chǎn)品中試線，計(jì)劃2019年開始建設(shè)產(chǎn)線。
國(guó)軒高科2017年四季度完成了一輪配股。據(jù)公告，其募投項(xiàng)目中包括（但不限于）1萬(wàn)噸高鎳三元正極材料產(chǎn)業(yè)化和5000噸硅基負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)項(xiàng)目可行性報(bào)告，該公司已掌握硅基負(fù)極材料表面改性及材料預(yù)鋰化等關(guān)鍵技術(shù)，可以有效緩沖硅材料體積膨脹對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，提高了硅基負(fù)極材料的首次庫(kù)倫效率及循環(huán)性能，為產(chǎn)業(yè)化實(shí)施提供了充分的技術(shù)保障。
天津力神電池牽頭承擔(dān)的“高比能量密度鋰離子動(dòng)力電池開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)”項(xiàng)目進(jìn)展：據(jù)科技部網(wǎng)站于2017年4月13日?qǐng)?bào)道，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)完成能量密度達(dá)260Wh/kg的動(dòng)力電池單體，相比彼時(shí)電動(dòng)汽車普遍使用的動(dòng)力電池能量密度提升了30%，在350次充放電循環(huán)后容量保持率達(dá)到83.28%；同時(shí)開發(fā)出了能量密度達(dá)280Wh/kg以及300Wh/kg的動(dòng)力電池樣品。項(xiàng)目包括研制新型高鎳正極材料、硅碳復(fù)合負(fù)極材料、新型電解液等，研究成果將進(jìn)一步拓展應(yīng)用于方型和圓形動(dòng)力電池，覆蓋全系列動(dòng)力電池產(chǎn)品。
寧德時(shí)代牽頭承擔(dān)的“新一代鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)” 項(xiàng)目進(jìn)展：據(jù)中國(guó)客車網(wǎng)2016年10月25日轉(zhuǎn)載《福建日?qǐng)?bào)》報(bào)道，該項(xiàng)目已在寧德啟動(dòng)，將在2020年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。該項(xiàng)目基于TS16949的產(chǎn)品開發(fā)流程，研發(fā)以高鎳三元材料為正極、硅碳復(fù)合物為負(fù)極的鋰離子動(dòng)力電池，可將鋰離子動(dòng)力電池的比能量從150-180Wh/kg大幅提高至300Wh/kg以上。據(jù)媒體報(bào)道，2018年1月7日，中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高在電動(dòng)汽車百人會(huì)主辦的論壇活動(dòng)上演講提到，寧德時(shí)代牽頭承擔(dān)的項(xiàng)目，電芯能量密度已達(dá)304Wh/kg，循環(huán)壽命約1000次，安全性全部通過(guò)。
我們認(rèn)為，上述項(xiàng)目如能順利產(chǎn)業(yè)化，將進(jìn)一步提升相關(guān)企業(yè)在動(dòng)力電池研制領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者地位。
補(bǔ)充說(shuō)明：積極開展高能量密度鋰離子電池研制的企業(yè)，不限于上述三家，不排除其他企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化突破早于上述三家企業(yè)的可能。
補(bǔ)充信息：1）據(jù)當(dāng)升科技2018年5月4日投資者關(guān)系活動(dòng)記錄，其NCM811（正極材料）產(chǎn)品已批量生產(chǎn)，主要供給國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰電大客戶；2）據(jù)杉杉股份2017年年報(bào)披露，其高鎳811三元材料已量產(chǎn)。
