提升能量密度和安全性的路徑
1 如何讓食物本身的熱量更高？——電芯能量密度提升
正極—鎳55單晶材料
多晶NCM內(nèi)部存在大量晶界（grain boundary），在電池充放電過程中，由于各向異性的晶格變化，多晶NCM容易出現(xiàn)晶界開裂，導(dǎo)致二次顆粒發(fā)生破碎，比表面積和界面副反應(yīng)快速增加 （圖3），導(dǎo)致電池阻抗上升，性能快速下降。而單晶型三元材料內(nèi)部沒有晶界，可以有效應(yīng)對(duì)晶界破碎及其導(dǎo)致的性能劣化問題[1]。因此，單晶結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓，不僅如此，還提升了三元材料的循環(huán)穩(wěn)定性，大幅提升了電池安全性。
這是正極材料，下面看看負(fù)極。
負(fù)極—“摻硅補(bǔ)鋰”技術(shù)：
近期有消息稱，智己汽車正在與寧德時(shí)代共同開發(fā)“摻硅補(bǔ)鋰電芯”技術(shù)，雙方將共享技術(shù)專利。智己汽車表示，這款電池的能量密度較現(xiàn)在行業(yè)領(lǐng)先水平降高出30-40%，最高可實(shí)現(xiàn)約1000km續(xù)航、20萬公里零衰減，這款電池將通過電芯材料配方的優(yōu)化、成組技術(shù)隔熱阻燃，以及全鑄鋁電池包殼體封裝技術(shù)，結(jié)合BMS端云協(xié)同管理保證電池安全。
什么是“摻硅補(bǔ)鋰電芯”技術(shù)？
傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨負(fù)極密度較低，為追求高密度，新的負(fù)極材料硅碳、硅氧成為企業(yè)追逐的新熱點(diǎn)。但是硅氧會(huì)存在首次效率低，需要補(bǔ)鋰的問題。液態(tài)鋰離子電池首次充放電過程中,電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng),形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層,具有固體電解質(zhì)的特征,是電子絕緣體卻是Li+ 的優(yōu)良導(dǎo)體，Li+ 可以經(jīng)過該鈍化層自由地嵌入和脫出,因此這層鈍化膜被稱為“固體電解質(zhì)界面膜”( solid electrolyte interface)簡(jiǎn)稱SEI膜（正極也有層膜形成,只是現(xiàn)階段認(rèn)為其對(duì)電池的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)極表面的SEI膜[2]）。硅碳負(fù)極補(bǔ)鋰工藝是在硅碳負(fù)極表面預(yù)涂一層鋰金屬，該涂層與負(fù)極緊密接觸，在灌注電解液后與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)嵌入負(fù)極顆粒內(nèi)部，預(yù)存一部分鋰離子在負(fù)極內(nèi)部，從而彌補(bǔ)首次充放電或者循環(huán)過程中由于形成或修復(fù)SEI膜所需要消耗的Li離子。相比于高難度、高投入的負(fù)極補(bǔ)鋰工藝，正極補(bǔ)鋰就顯得樸實(shí)多了，典型的正極補(bǔ)鋰的工藝是在正極勻漿的過程中，向其中添加少量的高容量正極材料，在充電的過程中，多余的Li元素從這些富鋰正極材料脫出，嵌入到負(fù)極中補(bǔ)充首次充放電的不可逆容量。通過這種復(fù)雜的補(bǔ)鋰工藝，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)極材料的密度提升。目前尚不知道智己汽車具體是哪種技術(shù)，但智己汽車將應(yīng)用這種高端鋰電池基本已成定局。
最后看看電芯能量密度提升的最后一環(huán)——電解質(zhì)。
電解質(zhì)—固態(tài)電池 & 果凍電池
當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月8日，由大眾和比爾蓋茨支持的初創(chuàng)公司QuantumScape公布了其最新固態(tài)電池的消息，并表示電池將于2024年投產(chǎn)。此種固態(tài)電池，相較于傳統(tǒng)鋰離子電池有了顯著的改進(jìn)：它們可以將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程提高80%。下面我們來探討下什么是固態(tài)電池，它的好處又是什么。
在提高電池能量密度的同時(shí)，電池的安全性是不得不考慮的問題。從根本上消除鋰離子電池的安全隱患仍在于電池材料安全性的提高。但對(duì)于正極材料，這兩方面是矛盾的。比如，前面已經(jīng)講到，提高鎳含量能夠提高能量密度，但是鎳含量提高意味著安全性降低.有什么辦法從別的方面加強(qiáng)電池的安全性，從而更放心的提升能量密度呢？這時(shí)候就要從電解質(zhì)角度考慮了。大量研究表明，液態(tài)電解質(zhì)參與了電池?zé)崾Э剡^程的大部分反應(yīng)，并極大降低了電池的初始反應(yīng)溫度，也就是讓熱失控的門檻變得更低。所以提髙電解質(zhì)安全性是實(shí)現(xiàn)電池安全的最有效方法之一[3]。液態(tài)電解質(zhì)的物理特性決定了其始終無法避免泄露，同時(shí)也不利于縮小電池體積從而提髙能量密度，因此為了提高能量密度和安全性，電解質(zhì)的固態(tài)化就成了趨勢(shì)。我們把電極和電解質(zhì)均為固態(tài)的電池稱為固態(tài)電池。固態(tài)電池電芯內(nèi)部不含液體不僅安全性更高，還可實(shí)現(xiàn)先串并聯(lián)后組裝，減少了封裝殼體用料，PACK設(shè)計(jì)大幅簡(jiǎn)化，這也提高了電池成組后的能量密度。
與傳統(tǒng)鋰電池類似，固態(tài)電池由正極、負(fù)極和電解質(zhì)組成。其結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋰電池簡(jiǎn)單，固體電解質(zhì)充當(dāng)了電解液和隔膜的雙重功能。正極材料與傳統(tǒng)的鋰電池并無本質(zhì)區(qū)別。而負(fù)極材料為金屬鋰負(fù)極材料、碳族負(fù)極材料和氧化物負(fù)極材料。對(duì)固態(tài)電池來說，固態(tài)電解質(zhì)的研究與開發(fā)最為重要，它的材料種類繁多，主要包括氧化物、硫化物、聚合物以及復(fù)合型固體電解質(zhì)。
除了大規(guī)模使用的液態(tài)鋰電池和正在研究中的固態(tài)電池以外，一種半固態(tài)的電池-果凍電池-進(jìn)入人們的視野。2020年12月，蜂巢能源率先發(fā)布果凍電池，并接受預(yù)定。果凍電池是一種應(yīng)用了新型果凍狀電解質(zhì)的鋰電池，這種凝膠型電解質(zhì)可以與電極材料的表面更好的貼合，具有自愈合、阻燃等特點(diǎn)，在幾乎不降低導(dǎo)電性能的同時(shí)阻止熱擴(kuò)散。果凍電池可以說是液態(tài)電池向固態(tài)電池發(fā)展的一個(gè)過渡。
2 如何裝的更多？——系統(tǒng)密度提升-電池包新技術(shù)
除了提高電芯能量密度以外，讓同樣體積和重量的電池包里面裝更多的電芯，也是一種提高電池能量密度的方法。這里簡(jiǎn)單介紹下目前比較新的電池包技術(shù)。
去掉內(nèi)部封裝——Cell to Pack （CTP）技術(shù)：
一般電池不僅最外部有電池包，內(nèi)部還有一組一組電芯形成的“模組”，所謂CTP就是無模組化，電芯直接打包，目前是企業(yè)提高能量密度的一個(gè)主要選擇。寧德時(shí)代、比亞迪、蜂巢能源均推出了無模組電池包技術(shù)。前一陣子比較火爆的比亞迪刀片電池就是基于磷酸鐵鋰電池，采用無模組設(shè)計(jì)提高了空間利用率。
內(nèi)封外包全去掉——Cell to Chassis （CTC）技術(shù)：
特斯拉的電池日上，提出了一種結(jié)構(gòu)化電池的方案（structural battery），把電池直接內(nèi)置在汽車結(jié)構(gòu)中（見龍哥之前的文章《特斯拉電池日信息解讀》）。這種結(jié)構(gòu)化電池技術(shù)與寧德時(shí)代此前提出的CTC技術(shù)類似，該技術(shù)將電芯和底盤集成在一起，再把電機(jī)、電控、整車高壓系統(tǒng)通過創(chuàng)新的架構(gòu)集成在一起，并通過智能化動(dòng)力域控制器優(yōu)化動(dòng)力分配和降低能耗。
結(jié)語
通過以上的介紹，相信大家已經(jīng)對(duì)電池相關(guān)新技術(shù)有了一定的了解。雖然全固態(tài)電池的商用，還需要我們耐心的等待，但半固態(tài)電池、正極單晶材料以及摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)，相信近期就能被我們體驗(yàn)到了。
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