日本政府2009年5月公布的《新時期汽車普及戰(zhàn)略》中，2020年包括插電式混合動力在內(nèi)的混合動力汽車，可以占到整個汽車市場份額的29%，而純電動汽車則只占其中的10%。

日本瑞穗銀行2011 年 10 月31 日發(fā)布的調(diào)查與研究報告顯示，中國到2020年，包括插電式混合動力在內(nèi)的混合動力汽車，可以占到整個汽車市場份額的13%，而純電動汽車則只占其中的2%。

所以，本文確立的鋰離子電池性能，是基于混合動力(HEV)和插電式混合動力(PHEV)汽車的的技術(shù)需求。

這里提出的技術(shù)挑戰(zhàn)是以后這8年的時間里，PHEV要真正實現(xiàn)一次充電后的純電續(xù)駛能力達(dá)到60km的話，就必須研制與現(xiàn)在鋰電池有所不同的負(fù)極材料;鋰電池所需的正極材料也需要更加實用化。

一、 高容量的負(fù)極材料

在鋰電池負(fù)極材料開發(fā)領(lǐng)域，對于比石墨和碳元素為主的非金屬固體材料更具超大比容量的金屬負(fù)極材料的研究，將再次活躍起來(圖1)。

最初，金屬氧化物或者合金系列的負(fù)極材料，應(yīng)該可以解決金屬負(fù)極在充電時鋰枝晶析出問題。這個課題比石墨和碳元素為主的負(fù)極材料出現(xiàn)的更早，在上世紀(jì)80年代初就積極地展開了系統(tǒng)研究。

圖1石墨或金屬負(fù)極的比容量和平均放電電位

(圖中的能量密度等高線，是假設(shè)和平均放電電位4V組合的負(fù)極單體的能量密度)

但是，這種金屬系的負(fù)極材料，在鋰嵌入與遷出過程中，體積會變得非常大(圖2)。在微粉化過程中，其循環(huán)壽命變得非常短。

圖2 石墨或金屬負(fù)極的各個Li嵌入組成中，與嵌入前的體積比

可是，要實現(xiàn)既定的”先進(jìn)性電池目標(biāo)(見附注)”，理所當(dāng)然地少不了錫、硅金屬元素系列的合金型負(fù)極材料，這已經(jīng)被業(yè)內(nèi)有識之士所認(rèn)知。并且，由于納米技術(shù)及其材料的導(dǎo)入，已經(jīng)誕生了幾個值得業(yè)界關(guān)注的關(guān)于電池長壽命的成果。比如：錫元素系列的鈷、鐵金屬材料，銀及其合金材料，有機硅金屬元素系列的Si/C復(fù)合材料以及薄膜化材料等，都得到了積極應(yīng)用。

應(yīng)當(dāng)特別指出的是，有機硅金屬系列的負(fù)極材料，不僅是金屬負(fù)極材料中比容量最大的，而且在電極電位中，比石墨碳元素負(fù)極材料的電極電位互換性更高，并且因此而受到特別關(guān)注。

用濺射法在集流體上直接形成多孔質(zhì)薄膜電極，不僅解決了電極化的問題，同時還可避免由于體積變化所導(dǎo)致的構(gòu)造破壞等技術(shù)難題。

近幾年來，這些成功實例及其報告，已經(jīng)得到行業(yè)的證實。即通過與石墨碳元素負(fù)極的復(fù)合化，來實現(xiàn)硅金屬元素負(fù)極材料的實用化。

二、 高容量的正極材料

對于鋰電池的正極材料，就缺乏像負(fù)極那樣具有很大潛力的可替代材料。特別是與石墨碳元素、硅金屬元素那些不含鋰離子的負(fù)極材料相對應(yīng)，對含有鋰化合物(圖3)為中心的高性能正極材料的研究正在進(jìn)行中。

但是，與LiCoO2相比較，能夠提高比容量的值得期待的材料，現(xiàn)在還沒有被發(fā)現(xiàn)。

圖3 各種正極材料的比容量和平均放電電位

(圖中的能源密度等高線是假設(shè)和Li金屬負(fù)極組合的正極單體的能量密度，Li2MPO4F和Li2MSiO4是理論的潛在值)

在這里，LiNiO2擁有可逆性較高的鋰離子的植入、放出量多的特性，被定位于高能源密度型的正極材料。可是，正如表中所列的那樣，解決實用化的課題在目前看來并不容易。

作為比容量較高的化合物，嘗試?yán)脫碛袑訝罱Y(jié)晶構(gòu)造的錳酸鹽LiMnO2正極材料。因為單獨的LiMnO2元素，是不進(jìn)行鋰的植入放出的非活性化合物，所以需要與活性化合物L(fēng)iMO2(M=Ni，Co，Mn)或者非活性化合物L(fēng)iFeO2結(jié)合而形成的固液體，使鋰的植入放出具有活性，并以呈現(xiàn)出250～300mAh/g的高容量而受到關(guān)注。

三、 聚陰離子正極材料

近幾年，除了氧化物以外，也在嘗試著對擁有高能量密度型的正極材料————磷酸鹽或者硅酸鹽正極材料的研發(fā)，被統(tǒng)稱為聚陰離子系列正極材料。

在磷酸鹽材料中，有橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4已經(jīng)進(jìn)入實際應(yīng)用階段。但是，由于LiFePO4的放電電位只能達(dá)到約3.4V的低值，加上已經(jīng)實現(xiàn)了接近理論值(170mAh/g)的容量，在提高能里量密度方面已經(jīng)不值得期待。

同樣，橄欖石型正極當(dāng)中(圖3)，取代鐵、錳、鎳的聚陰離子層狀正極材料LiMnPO4或者LiNiPO4的理論容量雖然沒有變化，但是平均放電電壓可以達(dá)到4.0V～4.8V的高值。與LiFePO4相比，大約能提高20%～50%的能量密度，而受到關(guān)注與期待，各方面的力量正在積極進(jìn)行相關(guān)研究。

但是，由于LiMnPO4的電導(dǎo)率非常低，尚不具備像LiNiPO4那樣能在高電極電位中穩(wěn)定活動的有機電解液，故作為車載電池的實用化還有很多問題要解決。

其他化合物中的Li2MnO3也是一樣。對于金屬元素，由2個鋰構(gòu)成的硅酸鹽系列(Li2MSiO4)或者LiMPO4F系列等，如果能夠?qū)崿F(xiàn)所擁有鋰的脫離和植入，所具有的330mAh/g、290mAh/g的理論容量是值得研究和期待的。

目前，各種各樣的研討都在進(jìn)行中。關(guān)鍵是，關(guān)于金屬元素中1個鋰的可逆性，即：脫離、植入是值得期待和今后亟待解決的技術(shù)難題。

四、先進(jìn)型鋰電池的耐用性課題

綜上所述，不管是正極材料還是負(fù)極材料，如果能夠使現(xiàn)有鋰離子電池實現(xiàn)超大容量，即：能量密度達(dá)到200Wh/kg的話，就將是一個令人矚目的技術(shù)進(jìn)步。

可是，由于能夠提高鋰電池能量的元素循環(huán)壽命短，甚至在小型民用領(lǐng)域的應(yīng)用尚未成熟。而車載電池的性能要求又是小型民用電池的3～5倍以上，并且其耐用性要求大約為10年。顯然，這個使用壽命同樣是一個難以逾越的技術(shù)障礙。

附注：日本設(shè)定的先進(jìn)階段的電池性能指標(biāo)參數(shù)表

( 編輯/李艷嬌 )

返回第一電動網(wǎng)首頁 >