【原】【大象能源•锰酸锂】雷洪钧博士观点 | 三元锂子电池技术发展态势及挑战分析

摘要：发展三元电池依然是相当长的时间内的主要任务。

目前纯电动汽车使用动力电池是二次锂离子电池，即可充电的电池。按动力电池正极材料的不同，基本分为磷酸铁锂电池和三元锂电池两大类，其他的动力电池已经基本出局了。同时市场也分为两大块，磷酸铁锂电池主要是客车市场，三元锂电池主要是乘用车市场。下面对三元锂电池技术发展态势及挑战予以分析，供同行参考。

一、三元锂离子电池与磷酸铁离子电池异同点

1）相同点

三元锂离子电池与磷酸铁离子电池工作原理和内部结构基本一致。

(1)离子电池内部结构，有正极材料、电解质、负极材料。如图1所示。.

图1  离子电池结构图

(2)原理：当放电的时候，Li离子从负极迁移到正极；而充电时，Li离子从正极迁移到负极，是一个摇椅式电池。

图2  离子电池工作原理

(3)三元锂离子电池与磷酸铁离子电池负极材料是石墨。结晶度高，导电性好，对锂离子的容量大，达到了372mAh/g。

2)不同点

(1)三元锂离子电池的正极材料是含有镍钴锰酸锂(Li(Ni,Co,Mn)O2 的三种过渡金属元素的。合成工艺、 材料掺杂和表面包覆改性、电解液匹配三方面的不同，三元材料比例(111, 523, 424, 811)主要种形式。

(2)磷酸铁离子电池的正极材料是LiFePo4。

二、三元锂离子电池与磷酸铁离子电池相比，谁应用前景更大

(1)从能量密度而言，根据实验室数据，相同质量的磷酸铁锂电池的能量密度只有三元电池的一半。目前三元电池能量密度已经实现300mAh/g。而磷酸铁锂电池能力密度为可以达到150mAh/g。

(2)三元电池低温性能也高于磷酸铁锂电池

三元锂电池又被为“三元聚合物锂电池”，体积更小、能力密度更高、耐低温、循环性能也更好。但是三元锂电池在250-300℃高温就会产生分解，并且三元锂材料的化学反应尤其强烈，一旦释放氧分子，在高温作用下电解液迅速燃烧，随即发生爆燃现象。

为了提高三元锂电池安全性所采用措施有：过充保护、过放保护、过温保护、过流保护这些环节，实时监测电池状态等。目前采用了三元锂电池的新能源客车没有办法进入新能源车型目录，有待以上的安全措施被证明是完全有效的。

而研究基本结论是，三元锂离子电池前景更大，在纯电动汽车应用上三元锂电池磷酸铁锂电池是一个趋势。

三、不同的比例、不同外型三元锂电池谁更优秀

目前三元锂电池按镍钴锰比例不同有(111, 523, 424, 811)等基本4种。基本发展趋势，镍的比例已经到“8”，即高镍三元电池。目前企业将NMC811加安全添加剂，负极是硅碳，电芯能量密度达到了302Wh/kg。

三元锂电池外形有圆形、方形和软包装三类，目前有不同优劣。基本趋势是，如果方形电池也拥有和圆柱形电池一样的行业标准，那么两者在应用上的优劣势基本也在同一水平线上。

图3  原型三元锂电池外形

不过软包电池，设计灵活性则更强，且兼具了重量低、能量密度高等更明显的优势。

图4 软包磷酸铁锂电池外形

研究结论：

(1)发展高镍三元电池是基本趋势；

(2)电动汽车目前还在高速发展过程中，软包电池优势明显；

(3)三元电池安全措施要同步跟上，尤其是动力电池热管理系统。

四、三元锂电池面临的挑战

①由于三元电池已经发展到电芯能量密度达到了302Wh/kg，三元电池正极发展基本也到天花板级别了。

②三元锂电池热稳定性差，而采用安全措施基本外部的且成本较高。

③目前三元锂电池安全措施的可靠性，如何验证？

④全固态电池研发取得里了程碑式进展。固态电解质具有不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液的性质，是三元锂电池不能相比的。

图5  液体电解质与固态电解质锂离子电池的对比

2019年6月24日，先进锂离子电池和系统开发制造商万向一二三和先进材料公司Ionic Materials正式对外宣布，全固态电池研发取得里了程碑式进展。

由于其不需要液体的，仅需固态电解质将正负极片隔开。固态电解质电导率低于液态电解液，内阻较大，固态电池暂时无法满足快充要求，的确拥有非常高的安全性，但是全固态电池在能量密度上目前还没有太大的优势。

五、三元锂电池的优势

①三元锂电池已经成为新能源乘用车的主流电池，商用车，尤其是大客车采用三元锂电池在未来的1-2年时间，也是可以实现的。

②磷酸铁锂电池发展空间还比较大，依然是三元锂电池竞争对手；

③全固态电池在相当一段时间里，还是处于三元电池潜在的竞争对手的地位。主要理由其不需要液体，用固态电解质将正负极片隔开，其内阻较大，电导率低于液态电解液。而全固态电池在能量密度上也目前没有太大的优势。

④三元锂电池强有力的竞争对手主要是半全固态电池。

六、研究结论

2017年3月1日，中央四部委印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》通知，明确指出了一是产品性能大幅提升，2020年动力电池系统比能量力争较现有水平提高一倍达到260瓦时/公斤、成本降至1元/瓦时以下，2025年动力电池单体比能量达500瓦时/公斤；二是产品安全性满足大规模使用需求，实现全生命周期的安全生产和使用。

《促进汽车动力电池产业发展行动方案》将提高电池比能量作为今后的重点发展目标之一，即发展三元电池依然是相当长的时间内的主要任务。

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