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發力固態技術 搭檔三元材料 錳酸鋰電池會是下一位“新秀”嗎?

來源:中國汽車報 瀏覽次數:343 發布日期:2021-08-30

繼鈉離子電池之后,動力電池的下一位“新秀”會是誰?

8月9日,星恒電源股份有限公司(以下簡稱“星恒電源”)與天目湖先進儲能技術研究院有限公司(TIES)攜手,共同創立“雙子星聯合實驗室”,致力于進行“耐高溫、長壽命、高安全的錳酸鋰材料和電池技術開發項目”研究。

如今,三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池在乘用車領域都擁有眾多的用戶。這兩種動力電池成為了市場主流,為何雙子星聯合實驗室還要聚焦錳酸鋰電池?《中國汽車報》記者帶著疑問,獨家專訪了TIES院長、中國科學院物理所研究員李泓。

優點和缺點都很突出

在人們的印象中,電動汽車普遍使用三元鋰或磷酸鐵鋰電池,在市場上很少看到配裝錳酸鋰電池的車型,造成這種現象的原因是什么?

李泓告訴記者,大家一直比較關注電動汽車的續駛里程,動力電池的能量密度越高,單次充電續駛里程越長。三元鋰電池的能量密度可達300Wh/kg,因此在乘用車上具有較為明顯的優勢地位。不過,由于需要使用鈷、鎳等金屬材料,導致它的成本高于磷酸鐵鋰電池。

隨著CTP、刀片電池技術的進步以及整車對電池包體積的優化,電動汽車配裝磷酸鐵鋰電池也能達到500~600公里的續駛里程,基本上能消除人們的里程焦慮。再加上其成本明顯低于三元鋰電池,而且安全性較好,近一段時間以來磷酸鐵鋰電池的產量和裝機量不斷擴大。

錳酸鋰電池的能量密度不及上述兩種動力電池,循環壽命、高溫儲存特性也存在短板。不過,它也有著突出的優點。“錳酸鋰電池的成本比磷酸鐵鋰電池低,快充性能表現良好,低溫性能也非常突出。在鋰電池的市場競爭中,大規模應用、取得優勢地位的關鍵還在于成本、安全等幾項因素。”李泓認為。

李泓告訴記者,錳酸鋰材料比磷酸鐵鋰的成本低20%~30%。另外,錳酸鋰電池的電壓較高,達到3.9V,磷酸鐵鋰電池為3.4V,三元鋰電池為3.7V。電壓高意味著電池PACK可以使用較少的電芯,錳酸鋰電池包既可以少裝電芯降低成本,又表現出體積優勢,PACK的成本明顯低于三元鋰或磷酸鐵鋰電池。

錳酸鋰電池的安全性則介于三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池之間。李泓指出,磷酸鐵鋰電池的安全問題主要來自負極,三元鋰電池的安全問題來自正極的因素更加突出。錳酸鋰是尖晶石結構,比層狀氧化物的穩定性好,磷酸鐵鋰中磷酸根中的氧更難析出,穩定性強于錳酸鋰電池。

錳酸鋰電池有改良空間

三元鋰電池能量密度的極限在哪里?目前,業界還沒有給出準確的答案。不過,人們對于磷酸鐵鋰的極限值基本已形成共識,約為170mAh/g,目前其潛力挖掘已達到165mAh/g。錳酸鋰的理論克容量約為144mAh/g,現有錳酸鋰電池的克容量為114~117mAh/g,其能量密度還有較大提升空間。

錳酸鋰電池的高溫穩定性不如磷酸鐵鋰電池,但也有改進辦法。據李泓介紹,他們在做固態電池的時候,把高鎳三元材料表面經過固態電解質處理,可以防止氧析出以及熱失控,降低表面氧化能力。對錳酸鋰材料進行改性,也有機會提高電池高溫穩定性;另外,在負極側進行固態化處理,也可防止析鋰及帶來的副反應。

改進不僅于此,隔膜技術提高也為錳酸鋰電池的進一步發展帶來了希望——中間的隔膜經過涂層后,熱收縮溫度能達到較高的水平,使安全性顯著提升。據悉,涂層的固態化可以改善正負極與隔膜的界面接觸,有利于防止正極錳溶解后向負極擴散,發生熱失控的幾率將進一步降低,或顯著提高熱失控的溫度。

李泓說:“錳酸鋰電池改性的第一步是實現準固態化,下一步要嘗試全固態。這些都實現后,錳酸鋰電池的安全性、耐高溫性能、循環性能將顯著提升。”他還告訴記者,在正極材料不變的情況下,從人造石墨負極到納米硅碳負極再到鋰碳復合負極,錳酸鋰電池電芯的能量密度能提升至240~250Wh/kg以上。未來,隨著電解質耐氧化電位的提高及固態電解質的引入,其正極材料還有可能進一步升級為放電電壓在4.8V,可逆容量在135mAh/g的鋰鎳錳氧(LiNi0.25Mn1.5O4)。這類材料與錳酸鋰晶體結構一致,含鎳量較低,直接與石墨匹配后的能量密度可以提升至240Wh/kg,未來與納米硅碳等復合,有望超過280Wh/kg。另外,還有一類高錳基正極材料,其材料可逆容量高達300mAh/g以上,只是目前在循環過程中存在電壓衰減明顯、倍率性能相對較差、循環性不到1000次以上、高溫脹氣等問題,需要進一步優化。

隨著技術瓶頸不斷突破,這些新材料一旦開發成功,將顯著推動錳基正極材料的應用,從資源可持續性、降低成本、提高綜合技術經濟性方面考慮,有望占據更大的市場份額。

或與三元材料“結合”出更大前景

國家電動乘用車技術創新聯盟技術委員會原主任、國家新能源汽車創新工程專家組原組長王秉剛曾告訴記者,日產聆風幾乎沒有過重大起火事故。記者查詢資料后發現,該款車使用錳酸鋰電池,與大多數電動汽車有顯著區別。

李泓告訴記者,日產聆風并不單純使用錳酸鋰電池,而是錳酸鋰與三元鋰電池混搭使用。兩種正極材料混用,不僅在汽車上存在,在其他使用場景,如消費電子產品、無人機上也常見。“錳酸鋰電池正極中摻雜三元材料,可以通過離子交換反應,抑制錳溶解,提升錳酸鋰正極材料的高溫和循環性能,同時提升能量密度。”他解釋說。

據悉,由于錳基電池有自己獨特的優勢,不僅國內多家企業涉足,AESC、LG化學、東芝、日立、LEJ等日韓企業也生產錳酸鋰電池或在三元鋰電池里摻雜錳酸鋰材料。在今年3月舉行的大眾汽車“電池日”活動上,該公司就明確表示,將大力研發高錳電池。

記者了解到,雙子星聯合實驗室的創建方之一星恒電源,曾由中科院物理所孵化,一直致力于錳酸鋰電池的開發,已成為國內最大的錳酸鋰電池研發與生產企業。星恒電源與TIES聯合成立實驗室,就是希望通過逐步導入納米固態電解質、納米硅碳負極、固態電解質復合隔膜等新技術,開發更耐高溫、長壽命、本質安全的錳酸鋰材料和電池技術,逐漸實現錳酸鋰電池從液態到準固態,到未來爭取實現全固態,從而顯著提升錳酸鋰電池的能量密度、循環壽命、安全性,同時發揮其低成本、高倍率、低溫性能好的優點。“這項技術如果研發成功,在電動輕型車和電動汽車動力電池領域將具有強大的市場競爭力。”李泓說。

“隨著新能源汽車補貼退坡直至取消,減少資源依賴,減少鋰電池中鈷和鎳的含量甚至完全不使用鈷和鎳,從而減低動力電池成本,增強市場競爭力成為企業考慮的頭等大事。錳酸鋰電池以其獨特的優勢受到人們的重視,與改性后的三元材料結合,既改善電池包性能,又能控制成本,預計未來市場份額可達25%以上。”李泓認為。


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