行业丨达到中国制造2025目标 锂电得多努力你知道吗？

被誉为“工业4.0”中国版的《中国制造2025》已经成为媒体和业界的“宠儿”，要是不知道一点出门还还真不好跟人打招呼。与此同时还推出了《中国制造2025重点领域技术发展路线图》，不少新材料都做了相应的规划。其中，对于锂电池做了如下展望：到2025年能量型锂电池能量密度大于300Wh/kg，功率型锂电池比功率4000W/kg，动力电池<1.5元/Wh ,储能电池<1.0元/Wh。而对于新能源汽车，要求动力电池单体能量密度达到400Wh/kg,成本降至0.8元/Wh，系统成本1元/Wh。或许很多人也搞不清这些数据到底意味着什么，难不难达到。成本这个事难说，身为技术人才，我们说道说道锂离子电池的能量密度。

锂离子电池主要有四大块：正极材料、负极材料、隔膜和电解质，各自作用不同。不过，在影响锂离子电池的能量密度上，四个小伙伴的能耐可不是一碗水端平的。

通常，决定锂离子电池能量密度的是正极材料，所以我们通常也将正极材料作为电池的分类。那么，常用于纯电动汽车的动力电池，与《中国制造2025》的目标有什么差距呢？

其实，差距还是很大的。

我们从电动汽车的续航能力上也能看出端倪来。如果动力电池单体能量密度达到400Wh/kg，一辆电动车如果装载500Kg电池，也就是200Kwh（如果组成电池包的话，能量密度会下降一些）。特斯拉续航能力500公里的版本是85Kwh。这样的话，达到标准的电动汽车跑个上千公里没问题。两相比较，市面上普遍100-200公里的电动汽车，差距不是一星半点。

既然目标提出来了，前面又提到正极材料才是提升能量密度的中流砥柱。那哪种材料才有可能拯救电动汽车的“里程焦虑”呢？经粗略计算，大概如下

乍看之下，以上几种材料在实际能量密度方面都远超《中国制造2025》中的400Wh/kg，但我们不能混淆一个概念，这个数值的定义前提是电池单体。而表中的数值为正极材料，即假设电池全部由正极材料组成，它的能量密度才能达到表中要求。

我们以最常用的18650电池为例，松下和LG标称容量在2000-2500mAh的同类型电池质量一般在46g左右，其中活性物质质量约15g左右，也就是说上面的所有数据要乘以三分之一。这么一来，有可能达到400Wh/Kg要求的也只有三元材料了。

不过，市面上能量密度最高的锂离子电池，已经是三元材料了，而用于电动汽车的，往往在130-160Wh/kg左右。差距还是很大！

现在，要想提高单体电池的能量密度主要有三个办法：

（1）减少除活性物质之外的组分的质量和体积；

（2）寻找理论容量更高的活性物质，并使其实际容量尽可能达到理论值；

（3）在有限的体积内塞入尽可能多的正极材料。

第一条不属于咱们材料人的范畴，假设它不可达到，我们来讨论在使用三元材料的的前提下，能否通过第二三条的改进而尽可能的达到《中国制造2025》的要求。

常见的三元材料镍钴锰三元（NCM）和镍钴铝三元（NCA）的化学式为：Li(Ni1-x-yCoxMny)O2或Li(Ni1-x-yCoxAly)O2。NCA源自镍酸锂（LiNiO2），这种材料容量较高但是稳定性很差，通过掺杂Al和Co后增加了其稳定性，但安全性能还是很差，特斯拉汽车就是使用这种电池。其中NCA的高温产气问题一直是它的一个限制因素，还有就是Al3+ 不变价，使其没有电化学活性。

NCM属于主流的三元材料，它可以看成是几种正极材料组成的固溶体（见下图），其中x:y:z的值可以根据需求调整，目前较成熟的成分有811、622、433、442、333、532等。

然后，我们来详细讨论下不同成分的NCM三元材料的理论容量是怎样的。注意，下面我要装学霸啦！

咱们拿这个图来讨论，x,y,z的搭配可以很多，如上图的811、622、433等。Co含量即x大时，能有效稳定结构、提高电导率并改善循环性能，但x太大会导致实际容量降低。Mn含量即z增大时，可以降低成本，改善安全性，但z太大时，电导率会降低同时降低实际容量（先不考虑y的影响）。聪明如你，会发现x都不小于z，这是怎么回事呢？当x小于z时，它就是另一种比较特殊的材料，三元富锂。富锂是什么意思，就是锂元素比较多，z越大，锂含量就越大，直接结果就是理论容量升高，那么实际容量如何呢？我们以Ni/Co/Mn比例为2：2：6为例，此时这种物质被看作四种物质的固溶体，除了上图中的三种还有一种Li2MnO3，用固溶体的形式写成化学式就是0.2LiNiO2+0.2LiCoO2+0.2LiMnO2+0.4Li2MnO3，写成统一的化学式就是Li1.4Ni0.2Co0.2Mn0.6O2.4，计算可得，此时理论容量为358.8mAh/g。这么说把Mn的含量一直增加就可以咯！首先，当z为1是，Li含量最高，为2。但是此时这种材料就变成了完全的Li2MnO3，它是不能作为电极材料的。目前能达到的最高值是多少呢？Li系数为1.8，此时的理论容量为433.1mAh/g，当工作电压以4.6V计算时，理论能量密度为1992Wh/Kg。但理想和现实的差距是巨大的，Mn含量越多，Li2MnO3就越多，这种材料的作用就是补充另外三种材料在循环中损失的锂，另外在循环过程中Li2MnO3中的Mn离子会溶解，多次循环后，电极材料结构会发生坍塌，实际容量会降低。还有就是Mn含量越高，倍率性能越差，这直接限制了这种材料在动力电池上的应用。目前文献上能达到的实际容量约为300mAh/g，能量密度1380Wh/Kg，做成单体电池大概是460Wh/Kg。不过，这个数据其实也不容易达到。一般来说，实验室能达到的容量在260mAh/g附近，这还得是在充放电非常慢的情况下，一旦快速充放电，性能就会急剧衰减，这样的性能根本不能满足产业化的要求。

随着2001年共沉淀法的兴起，三元材料开始崭露头角，不仅通过取代钴元素降低了成本，其还表现出优异的电化学性能和高电压优势。我们从特斯拉的车型中就能看出三元材料的成本优势，Tesla首款车型Roadster推出时使用的是18650钴酸锂电池，但其第二款量产车型ModelS使用的是8000多节松下定制的三元材料电池，，比Roadster高出一千多节，但是成本却下降了30%，这正是得益于三元电池较好的成本控制。但是快过去15年了，为什么三元还是没能取代钴酸锂呢？一部分原因是：产业化的坎坷！

其中一点，三元材料对形貌要求比较高，在压实过程中会出现颗粒破碎的情况，导致活性材料与粘结剂导电剂等接触不紧密，进而引起极化，损害电化学性能。如果为了保持颗粒形貌减小压实的压力，就会造成压实密度低，会出现什么情况呢？就难以完成第三条的解决方案，即在有限的空间内无法塞入更多的活性材料，体积能量密度上不去啊。另外，安全性能一直是限制其大规模应用的一个难题。

目前这种唯一可能满足《中国制造2025》要求的材料，研发过程非常坎坷，产业化过程又充满艰辛。在实验室得到性能优良的三元材料需要多久，将其产业化又需要多久，我们还有十年。（来源：材料人）