動力電池被譽為新能源汽車的“心臟”，技術突破將對電動汽車的性能提升產(chǎn)生決定性影響，也是電動汽車推廣普及的關鍵?，F(xiàn)在新能源汽車處于加速發(fā)展階段，目前低成本車型以磷酸鐵鋰為主，高性能車以三元電池為主，一部分高端車型也采用了磷酸鐵鋰技術路線。
對于電池的要求，如何能做到讓純電動車和燃油車可以形成性能和經(jīng)濟性的競爭，一直是電化學行業(yè)努力的方向，能量密度、功率密度、安全性、循環(huán)壽命、環(huán)境適應性、成本等都是設計研發(fā)考量的因素。
在中國的四個國家級計劃中，涉及到動力電池領域的目標分成三個層次：一個是高比能鋰離子電池做到300Wh/kg，下一代鋰離子電池希望做到400Wh/kg，新體系電池做到500Wh/kg，涉及到系統(tǒng)集成，還有固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。
腳踏實地的展望下一代動力電池技術路線，遠有固態(tài)，近有無鈷，這些先進技術的產(chǎn)業(yè)化之路該如何走？又走到了哪一步？在中國電動汽車百人會第三屆全球新能源與智能汽車供應鏈創(chuàng)新大會上，產(chǎn)學研專家從各自的角度研判了動力電池的技術現(xiàn)狀與未來趨勢。
升鎳？降鎳？
電池技術的發(fā)展進步速度很快，首先要搞清什么是下一代動力電池。
中國電池工業(yè)協(xié)會副理事長黃學杰是這樣回答的：2010年的錳酸鋰是第一代電池，日產(chǎn)聆風當初搭載的就是這種電池，續(xù)航里程在200公里左右，十年后的今天，大家買電動車必然會問到是三元還是鐵鋰，這就是第二代電池，續(xù)航里程比第一代增加了一倍多。下一代電池已經(jīng)走到了第三代，而更遠期的目標則指向了全固態(tài)電池。
每一代電池都是以正極材料來劃分，從第一代走向第二代，帶來了里程的加倍提升，從約200公里到了約500公里，從第二代到第三代，里程上又有了大約50%的提升，更重要的是成本也下降了50%左右。目前，磷酸鐵鋰電池的能量密度基本做到了170Wh/kg以上，三元材料的能量密度基本在200-260Wh/kg。
雖然這些年三元材料的變化花樣最多，但降鈷已是明確趨勢，降鎳和升鎳成為兩個技術方向。
黃學杰指出，關于降鎳的方向，關鍵材料是鎳錳酸鋰，第一代材料是錳酸鋰，一樣的結構中把1/4的錳換成鎳以后，這個材料做成的電池電壓就提高了，跟石墨配對，電池電壓在4.5V之上。磷酸鐵鋰電池的標準電壓是3.2V，三元電池的標準電壓是3.6V，鎳錳酸鋰的標準電壓能到4.5V，能量密度也就有了優(yōu)勢。
因此，鎳錳酸鋰有機會得到更高的能量密度，更高的倍率性能，特別是低溫下的高倍率性能，更好的成本，同時也更安全，但壽命是個難題，近20年來研究人員一直在努力，發(fā)現(xiàn)碳酸酯的電解液可以解決其壽命問題，用負極石墨，用銅作集流體，能夠做得比三元材料壽命還好，即使是在高溫下也仍然有很好的循環(huán)壽命，常溫下更不必說。
如此一來，鎳錳酸鋰的優(yōu)點就很明顯了，如果把磷酸鐵鋰電池做一下改進：負極不改變，電解液基本不改變，外殼也不變，僅僅改變的是正極材料。鎳錳酸鋰的密度比較高，同樣能做到100Ah，但是電壓提升了40.6%，單位體積能量提升了40%，成本上每一瓦時反而有20%的降低。這就是去鈷降鎳的的效果。
還有一個技術路徑是升鎳，這是高容量三元正極材料的升級方向。
如果把鎳的容量增加很多，能量密度可以繼續(xù)提升，但問題是如何讓高鎳保證很好的壽命和穩(wěn)定性。升鎳的極限是做到全鎳，把鈷完全去掉，鎳酸鋰就成為一個重要方向，這種高能量密度電池就是三元鋰電池的升級版。
第三代電池如果走向鎳酸鋰，三元的能量密度大概能提升40%，結合負極材料，從今天的不到700提升到1000Wh/L。
中國電子科技集團公司第十八研究所研究員肖成偉認為，磷酸鐵鋰系電池還會有進一步的技術提升。現(xiàn)在能量密度有的企業(yè)能夠做到200Wh/kg，下一步希望做到230Wh/kg以上的水平；高鎳低鈷電池希望做到300Wh/kg；富鋰錳基類電池，在降鈷降鎳的同時提錳，也有非常好的發(fā)展趨勢，現(xiàn)在也是研究的熱點，很多企業(yè)也在開發(fā)無鈷的尖晶石鎳錳酸鋰研究。
從產(chǎn)業(yè)化角度，中航鋰電乘用車事業(yè)總經(jīng)理謝秋也認為，鎳錳酸鋰是下一代正極材料的候選，通過計算，現(xiàn)在的五系、六系的三元材料，鋰只用了70%，其他30%不參與充放電，是一種資源的巨大浪費。鎳錳酸鋰參與反應的鋰可以達到95%的水平，跟磷酸鐵鋰的利用率差不多，但是鎳錳酸鋰這種尖晶石結構的能量密度又會高很多。因此，低鎳高錳從成本和資源的角度，是下一代電池材料的候選。
SK新能源中國事業(yè)總經(jīng)理張煒介紹，作為全球最早生產(chǎn)811高鎳電池的企業(yè)之一，SK新能源的電芯能量密度能夠達到280-290Wh/kg左右，下一步正在準備生產(chǎn)“9半半電池”，計劃明年全球量產(chǎn)，能量密度目前比811的電池有所提升。
下下一代：全固態(tài)電池
再往遠一點的技術路線，就是革命性的全固態(tài)電池，這也是各路英雄好漢的必爭之地，希望通過原理創(chuàng)新做出全固態(tài)電池，為下下一代600Wh/kg的能量密度而努力。
肖成偉表示，固態(tài)電池的進展很快，高鎳三元材料做的固液混合電池，液體轉換到固態(tài)電池里，作為一個過渡技術和產(chǎn)品也有非常好的發(fā)展前景。 現(xiàn)在開發(fā)的固液混合鋰離子電池，能量密度300Wh/kg，500次循環(huán)之后，能量密度保持98%的水平，體現(xiàn)出比較好的性能指標。
全固態(tài)電池從基礎研究的角度，現(xiàn)在所列指標都是實驗室達到的水平，還需要從高循環(huán)性的鋰負極，包括鈷界面反應等方面做深入的工作。
固態(tài)電池最大的問題是界面導電差，中國科學院物理研究所研究員李泓介紹，固態(tài)電池的難點是在膨脹過程中，固態(tài)電解質怎么能與正負極顆粒保持很好的接觸，最好的狀態(tài)是原子級別。他的團隊采取的方法是基于原位固態(tài)化的混合固液電解質及全固態(tài)電解質電池，通過注液保持良好的電解質與電極材料的物理接觸，之后通過化學或電化學反應將液體電解質部分或全部轉換為固體電解質，綜合平衡高電壓、安全性、鋰枝晶、體積膨脹、接觸內阻等問題解決。
據(jù)李泓透露，中國這幾家固態(tài)電池企業(yè)，都可能在明年底量產(chǎn)，大約都會提出GWh級的量產(chǎn)目標。
總而言之，高比能、高安全、長壽命、低成本、高環(huán)境適應性是動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的諸多考量因素。新體系電池、全固態(tài)電池、鈷材料電池、高壓安全、固液混合鋰電池，與安全壽命相關的大數(shù)據(jù)分析和測試評價技術等，都是現(xiàn)在和未來一段時間大家關注的焦點和整個投入的重點。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權告知刪除！