锂电池定制16年-动力锂电池系统解决方案商

 

锂电池的性能达到极限了吗？有可能进一步提高电池性能吗？这是目前世界上所有动力电池公司和纯电动汽车公司都在思考和积极解决的问题。目前，锂电池的更新是基于石墨负极、电解质和金属正极等材料，技术难度大，进展缓慢。从电池材料到电池设计，本文梳理了五种提高电池性能的方法。

 

石墨负极向硅负极的转变

锂电池负极材料主要分为碳基材料和非碳基材料。碳基材料包括天然石墨负极、人造石墨负极等。非碳基材料主要分为硅基材料和复合材料。目前，以人造石墨为代表的碳基材料是电池负极的主要材料，占负极材料市场份额的95%。

然而，在该阶段，石墨负极材料接近其372mAh/g的理论比容量极限，并且需要更高的比容量负极材料。硅负极有望显著提高能量密度和电池性能。硅负极材料是通过将纳米硅与其他材料混合，然后进行表面处理、烧结、粉碎、筛选和消磁来制备的。

目前，商业应用的比容量达到450mAh/g，成本较低。然而，由于循环寿命差，它主要用于3C数字领域。如果要将其应用于新能源汽车领域，就需要进一步提高电池性能。

 

 

尽管负极中使用的硅材料的量小于5%，但由于其固有的体积膨胀以及由此产生的稳定性和循环寿命问题，很难将其用作添加剂。然而，硅负极技术在过去10-15年中稳步改进，使电池在负极中使用5-100%的硅，这可以进一步提高电池性能。

 

正极合成新方法

未来的锂离子电池可能会使用目前市场上类似的正极材料。LNMO或LFP相关的LMFP可以被视为例外，尽管两者都不会提高能量密度，但在高电池性能和低成本之间提供了不同的权衡。富含锂锰的NMC正极可以适度提高电池性能，但商业开发有限且缓慢。

正极材料的改进通常是渐进的。相反，正极技术和创新的最大转变可能源于它们的合成方式。目前的合成技术需要在相对长的时间（天）内保持高温，同时也需要使用大量的试剂和水，这导致了高的制造成本和环境影响。Nano One Materials采用基于溶液的“一锅法”生产涂层正极材料。

 

 

该公司与正极制造商Pulead有合作关系。6K Energy使用微波等离子体反应器生产正极材料，但它们也能够合成硅正极和固体电解质材料。Nano One Materials和6K Energy都有望简化生产流程，以提高电池性能、产量、降低制造成本并减少对环境的影响。

 

固体电解质和新型电解质配方

对于新型电解质，固态电解质在业界引起了极大的关注。没有液体的固态电池几乎是不燃的，这降低了电池组对温度的敏感性，消除了锂沉淀现象引起的锂枝晶短路的风险，并有效地阻断了绝缘良好的阴极和阳极。

然而，实现全固态电池商业化量产的目标仍然相对长期。目前使用的新添加剂和电解质配方可以改善液体电解质系统并提高电池性能。例如，基于磷腈和磷氮化合物的电解质添加剂和溶剂通过提高热稳定性和改善SEI膜的形成来提高安全性和电池性能。

 

 

从长远来看，固态电池仍然是最终的技术目标，使固态电解质能够取代目前使用的易燃液体电解质，从而大大提高电池安全性和电池性能。数据显示，到2031年，固态电池市场预计将增长到80亿美元以上，而液体电解质仍然是市场的重要组成部分。固体电解质系统的稳定性、循环寿命、可制造性甚至安全性方面的挑战意味着不同电解质系统之间的竞争仍在继续。

 

优化电池组的内部空间

仅仅使用新型正极材料和电解质来提高电池性能具有显著的技术局限性。对于电动汽车来说，改进电池组的空间设计和增加电池容量提供了提高电池性能的另一个关键途径。许多汽车公司已经宣布了采用电池到电池组设计的电池，以消除与模块外壳相关的材料并优化包装效率，最终有助于提高能量密度并改善电池与车辆的集成。

电池组的设计从CTP到CTC/CTB逐渐消除了外壳等材料，优化了组效率。比亚迪刀片电池通过改变电池的形状来优化电池组的空间布置，使容量利用率提高50%。CATL最新的电池组设计是锂电池100强之一，其容量利用率达到72%。

 

 

2022年初，CATL宣布其LFP封装可能达到160瓦时/公斤和290瓦时/升，开始与NMC同行竞争。最大限度地提高能量密度有助于缓解廉价LFP电池的主要缺点，提高电池性能，并为生产廉价的远程电池提供途径。这些类型的电池设计确实存在可用性降低的问题，这可能会限制它们在商用车中的使用。

 

更智能的电池管理系统

电池管理系统（BMS）的改进可以提供一种提高电池性能的多个方面的方法。BMS的优化在给定正极、负极和电解质材料的条件下，通过软件优化提高了电池的性能。BMS的三个核心功能是电池监测、充电状态（SOC）估计和有效的热管理。准确的温度测量对电池组的工作状态非常重要，是电池安全的保证。

SOC的准确性和纠错能力是BMS正常运行的基础。如果没有准确的SOC数据，电池组将无法发挥其最大的工作效率，再多的保护功能也不会白费。高效的热管理确保电池在正常温度范围内工作，并在必要的场景中激活过热保护策略，从而确保电池的安全有序运行，避免电池热失控的危险故障场景。

 

 

除了电动汽车，改进的BMS对于智能手机或电动工具电池等其他终端用途也非常有价值。虽然电池开发通常包括在关键电池性能特性（如能量密度、循环寿命、快速充电和安全性）之间进行权衡，但BMS的改进可能会改善所有这些特性。

 

结论

电池性能的提高和成本的降低当然远不止本文提到的几种方法。尽管有些方法可能无法实现大规模生产，但它们将为锂电池的性能提供稳定的发展。