第四届中国(广州)国际电池与储能技术博览会

 

暨第九届中国锂电产业峰会

 


2019年5月7-9日 广州琶洲·国际采购中心1.2.3号馆
Language

你比阿基米德拥有更多的支点,
             万事俱备,只欠开展!

“后锂电时代” 谁将唱主角?

发表时间:2016-11-01   浏览次数:
0

摘要:后锂电时代(Beyond LIB)有两个耀眼的“新星”,它们就是Li-S和Li-Air电池。其实它们都老掉牙的体系,只是近些年又被重新包装热了起来。如果我们仔细分析这两个电化学体系就会发现,它们的最核心问题仍然是笔者前面讨论过的金属锂负极问题。

JFD认为,锂离子电池的主要技术指标实际上具有“跷跷板效应”,按起葫芦浮起瓢,某一个指标的提升往往是建立在牺牲其它指标基础之上的。对于大容量动力电池而言,提升能量密度往往意味着牺牲安全性、循环和倍率性能,这都是很好理解的。

JFD的结论是,动力电池能量密度的提升必须综合兼顾多方技术指标,从而达到电池系统综合性能的均衡和优化,而不是冒着安全风险一味来提高电芯能量密度。

当前,纯电动汽车大规模产业化所面临的第一大障碍,就是“里程焦虑”的问题。对于纯电动汽车而言,其续航里程是由动力电池系统所能存储的电能决定的,因此动力系统的能量密度就成了制约电动车续航里程的决定性因素。

BMW的计算表明,消费者对纯电动汽车可接受的最低实际行驶里程是300 Km(大约是目前普通轿车油箱满油续航里程的三分之一),如果在保持动力电池系统的重量与现有普通家庭轿车的动力总成(Powertrain)相差不大的情况下,动力电池系统的能量密度要达到250 Wh/Kg 的水平,也就是说单体电芯的能量密度要达到300 Wh/Kg 。

那么目前的锂电体系,在满足安全性、循环性和其它技术指标的前提下,其能量密度能否达到300 Wh/Kg 呢?

对于锂离子电池而言,其理论能量密度可以通过正负极材料比容量和工作电压进行估算。这里,笔者暂且抛开复杂的电化学和结构化学的概念,做些通俗易懂的分析。

现有的锂电体系,其实只能算是“半个”高能电池,因为它的高比能量主要是建立在负极极低的电极电势基础之上,而目前商业化的几种过渡金属氧化物正极材料(LCO、LMO、LFP和NMC)不管是工作电压还是比容量都并不明显优于水系二次电池的正极材料。

因此,要想使锂电成为“真正”的高能电池仅有两条道路:提高电池工作电压或者提高正负极材料的比容量。因为负极工作电压已经没有降低的可能,那么高压就必须着眼于正极材料。

镍锰尖晶石和富锂锰基固溶体正极材料(OLO)的充电电压分别为5V和4.8V,必须采用全新的高压电解液体系。5V镍锰尖晶石由于容量较低,实际上并不能有效提升电池的能量密度。目前OLO的实际容量可以达到250mAh/g以上,已经很接近层状过渡金属氧化物正极的理论容量。

Si/C复合负极材料以及硅基合金负极材料的比容量已经达到600-800 mAh/g,这个容量范围几乎是其实用化(保证适当循环性并抑制体积变化)的极限。如果OLO和这两种高容量负极搭配,其能量密度大约在300 Wh/Kg略高的水平。

笔者这里要强调的是对3C小电池而言,体积能量密度比质量能量密度更为重要。也就是说,层状正极材料(LCO和NMC)向更高电压或者更高Ni含量发展,比目前炒作得很热门的富锂锰基固溶体正极更具实际应用价值。