【導(dǎo)讀】鋰電池的發(fā)展正處于一個(gè)瓶頸期，能量密度已經(jīng)接近其物理極限。我們需要新的材料或者技術(shù)去實(shí)現(xiàn)鋰電池的突破，以下幾種電池材料被業(yè)內(nèi)人士一直看好，或?qū)⒊蔀榇蚱其囯姵卣系K的突破口。
1、硅碳復(fù)合負(fù)極材料
數(shù)碼終端產(chǎn)品的大屏幕化、功能多樣化后，對(duì)電池的續(xù)航提出了新的要求。當(dāng)前鋰電材料克容量較低，不能滿足終端對(duì)電池日益增長(zhǎng)的需求。
硅碳復(fù)合材料作為未來(lái)負(fù)極材料的一種，其理論克容量約為4200mAh/g以上,比石墨類(lèi)負(fù)極的372mAh/g高出了10倍有余，其產(chǎn)業(yè)化后，將大大提升電池的容量。現(xiàn)在硅碳復(fù)合材料存在的主要問(wèn)題有：
充放電過(guò)程中，體積膨脹可達(dá)300%，這會(huì)導(dǎo)致硅材料顆粒粉化，造成材料容量損失。同時(shí)吸液能力差。
循環(huán)壽命差。目前正在通過(guò)硅粉納米化，硅碳包覆、摻雜等手段解決以上問(wèn)題，且部分企業(yè)已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。
相關(guān)研發(fā)企業(yè)：目前各大材料廠商紛紛在研發(fā)硅碳復(fù)合材料，如BTR、斯諾、星城石墨、湖州創(chuàng)亞、上海杉杉、華為、三星等。國(guó)內(nèi)負(fù)極材料企業(yè)研發(fā)硅基材料的情況是：大部分材料商都還處于研發(fā)階段，目前只有上海杉杉已進(jìn)入中試量產(chǎn)階段。
2、鈦酸鋰
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)鈦酸鋰的研發(fā)熱情較高，鈦酸鋰的優(yōu)勢(shì)主要有：1.循環(huán)壽命長(zhǎng)(可達(dá)10000次以上)，屬于零應(yīng)變材料(體積變化小于1%)，不生成傳統(tǒng)意義的SEI膜；2.安全性高,其插鋰電位高，不生成枝晶，且在充放電時(shí)，熱穩(wěn)定性極高；3.可快速充電。
目前限制鈦酸鋰使用的主要因素是價(jià)格太高，高于傳統(tǒng)石墨，另外鈦酸鋰的克容量很低，為170mAh/g左右。只有通過(guò)改善生產(chǎn)工藝，降低制作成本后，鈦酸鋰的長(zhǎng)循環(huán)壽命、快充等優(yōu)勢(shì)才能發(fā)揮作用。結(jié)合市場(chǎng)及技術(shù)，鈦酸鋰比較適合用于對(duì)空間沒(méi)有要求的大巴和儲(chǔ)能領(lǐng)域。
3、石墨烯
石墨烯自2010年獲得諾獎(jiǎng)以來(lái)，廣受全球關(guān)注，特別在中國(guó)。國(guó)內(nèi)掀起了一股石墨烯研發(fā)熱潮，其具諸多優(yōu)良性能，如透光性好，導(dǎo)電性能優(yōu)異、導(dǎo)熱性較高，機(jī)械強(qiáng)度高。石墨烯在鋰離子電池中的潛在應(yīng)用有：
作負(fù)極材料。石墨烯的克容量較高，可逆容量約700mAh/g,高于石墨類(lèi)負(fù)極的容量。另外，石墨烯良好的導(dǎo)熱性能確保其在電池體系中的穩(wěn)定性，且石墨烯片層間距大于石墨，使鋰離子在石墨烯片層間擴(kuò)散通暢，有利于提高電池功率性能。由于石墨烯的生產(chǎn)工藝不成熟，結(jié)構(gòu)欠穩(wěn)定，導(dǎo)致石墨烯作為負(fù)極材料仍存在一定問(wèn)題，如首次放電效率較低，約65%;循環(huán)性能較差;價(jià)格較高，明顯高于傳統(tǒng)石墨負(fù)極。
作為正負(fù)極添加劑，可提高鋰電池的穩(wěn)定性、延長(zhǎng)循環(huán)壽命、增加內(nèi)部導(dǎo)電性能。
鑒于石墨烯當(dāng)前的批量生產(chǎn)工藝不成熟、價(jià)格高昂、性能不穩(wěn)定，石墨烯將率先作為正負(fù)極添加劑在鋰離子電池中使用。
4、碳納米管
碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料，自身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，同時(shí)由于其脫嵌鋰時(shí)深度小、行程短，作為負(fù)極材料在大倍率充放電時(shí)極化作用較小，可提高電池的大倍率充放電性能。
缺點(diǎn)：碳納米管直接作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)，會(huì)存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺(tái)不明顯等問(wèn)題。如Ng等采用簡(jiǎn)單的過(guò)濾制備了單壁碳納米管，將其直接作為負(fù)極材料，其首次放電容量為1700mAh/g，可逆容量?jī)H為400mAh/g。
碳納米管在負(fù)極中的另一個(gè)應(yīng)用是與其他負(fù)極材料(石墨類(lèi)、鈦酸鋰、錫基、硅基等)復(fù)合，利用其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性及大比表面積等優(yōu)點(diǎn)作為載體改善其他負(fù)極材料的電性能。
5、富鋰錳基正極材料
高容量是鋰電池的發(fā)展方向之一，但當(dāng)前的正極材料中磷酸鐵鋰的能量密度為580Wh/kg,鎳鈷錳酸鋰的能量密度為750Wh/kg，都偏低。富鋰錳基的理論能量密度可達(dá)到900Wh/kg，成為研發(fā)熱點(diǎn)。
富鋰錳基作為正極材料的優(yōu)勢(shì)有：1、能量密度高；2、主要原材料豐富。由于開(kāi)發(fā)時(shí)間較短，目前富鋰錳基存在一系列問(wèn)題：1、首次放電效率很低；2、材料在循環(huán)過(guò)程析氧，帶來(lái)安全隱患；3、循環(huán)壽命很差；4、倍率性能偏低。
目前解決這些問(wèn)題的手段有包覆、酸處理、摻雜、預(yù)循環(huán)、熱處理等。富鋰錳基雖然克容量?jī)?yōu)勢(shì)明顯，潛力巨大，但限于技術(shù)進(jìn)展較慢，其大批量上市還需時(shí)間。
6、動(dòng)力型鎳鈷錳酸鋰材料
一直以來(lái)，動(dòng)力電池的路線存在很大爭(zhēng)議，因此磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料等路線都有被采用。國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池路線以磷酸鐵鋰為主，但隨著特斯拉火爆全球，其使用的三元材料路線引起了一股熱潮。
磷酸鐵鋰雖然安全性高，但其能量密度偏低軟肋無(wú)法克服，而新能源汽車(chē)要求更長(zhǎng)的續(xù)航里程，因此長(zhǎng)期來(lái)看，克容量更高的材料將取代磷酸鐵鋰成為下一代主流技術(shù)路線。
鎳鈷錳酸鋰三元材料最有可能成為國(guó)內(nèi)下一代動(dòng)力電池主流材料。國(guó)內(nèi)陸續(xù)推出三元路線的電動(dòng)車(chē)，如北汽E150EV、江淮IEV4、奇瑞EQ、蔚藍(lán)等，單位重量密度較磷酸鐵鋰電池有很大提升。
7、涂覆隔膜
隔膜對(duì)鋰電池的安全性至關(guān)重要，這要求隔膜具有良好的電化學(xué)和熱穩(wěn)定性，以及反復(fù)充放電過(guò)程中對(duì)電解液保持高度浸潤(rùn)性。
涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等膠黏劑或陶瓷氧化鋁。涂覆隔膜的作用是：1、提高隔膜耐熱收縮性，防止隔膜收縮造成大面積短路;2、涂覆材料熱傳導(dǎo)率低，防止電池中的某些熱失控點(diǎn)擴(kuò)大形成整體熱失控。
8、陶瓷氧化鋁
在涂覆隔膜中，陶瓷涂覆隔膜主要針對(duì)動(dòng)力電池體系，因此其市場(chǎng)成長(zhǎng)空間較涂膠隔膜更大，其核心材料陶瓷氧化鋁的市場(chǎng)需求將隨著三元?jiǎng)恿﹄姵氐呐d起而大幅提升。
用于涂覆隔膜的陶瓷氧化鋁的純度、粒徑、形貌都有很高要求，日本、韓國(guó)的產(chǎn)品較成熟，但價(jià)格比國(guó)產(chǎn)的貴一倍以上。國(guó)內(nèi)目前也有多家企業(yè)在研發(fā)陶瓷氧化鋁，希望減少進(jìn)口依賴(lài)。
9、高電壓電解液
提高電池能量密度乃鋰電池的趨勢(shì)之一，目前提高能量密度方法主要有兩種：一種是提高傳統(tǒng)正極材料的充電截止電壓，如將鈷酸鋰的充電電壓提升至4.35V、4.4V。但靠提升充電截止電壓的方法是有限的，進(jìn)一步提升電壓會(huì)導(dǎo)致鈷酸鋰結(jié)構(gòu)坍塌，性質(zhì)不穩(wěn)定;另一種方法則是開(kāi)發(fā)充放電平臺(tái)更高的新型正極材料，如富鋰錳基、鎳鈷酸鋰等。
正極材料的電壓提升后，需要與之配套的高電壓電解液，添加劑對(duì)電解液的高電壓性能起到關(guān)鍵性作用，其成為近年來(lái)的研發(fā)重點(diǎn)。
10、水性粘結(jié)劑
目前正極材料主要使用PVDF做粘結(jié)劑，用有機(jī)溶劑進(jìn)行溶解。負(fù)極的粘結(jié)劑體系中有SBR、CMC、含氟烯烴聚合物等，也會(huì)用到有機(jī)溶劑。在電極片制作過(guò)程中，需要將有機(jī)溶劑烘干揮發(fā)，這既污染環(huán)境，又危害員工健康。干燥蒸發(fā)的溶劑需用特殊的冷凍設(shè)備收集并加以處理，且含氟聚合物及其溶劑價(jià)格昂貴，增加了鋰電池的生產(chǎn)成本
另外，SBR/CMC粘結(jié)劑在加工過(guò)程中易粘輥，且難以用于正極片制備，使用范圍受到限制。
出于環(huán)保、降低成本、增加極片性能等需求考量，水性粘結(jié)劑的開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。
