動力電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的路徑

隨著不同技術(shù)路線動力電池產(chǎn)品工程化、商業(yè)化發(fā)展，鋰離子動力電池技術(shù)正朝著更高的能量密度、循環(huán)壽命等指標(biāo)逐漸進(jìn)步。其中，正極材料采用高鎳三元材料，負(fù)極加入納米硅形成硅碳負(fù)極材料，電解質(zhì)逐漸由液態(tài)發(fā)展為固態(tài)，以實現(xiàn)更高的鋰電池能量密度產(chǎn)品與相關(guān)市場領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化。

3.1高鎳三元正極材料

3.1.1技術(shù)原理、優(yōu)缺點

三元材料目前是高能量密度動力電池最優(yōu)選擇。高鎳三元短期內(nèi)正在成為動力電池應(yīng)用主流。三元材料結(jié)合了鎳（提升電池容量）、鈷（提高離子導(dǎo)電性）、錳（穩(wěn)定結(jié)構(gòu)）的性能優(yōu)勢，是近階段高能量密度、高性能和低成本的主流產(chǎn)品。到2020年，我國高鎳三元鋰電池產(chǎn)業(yè)化能量密度指標(biāo)是300Wh/kg，力爭實現(xiàn)350Wh/kg。

高鎳三元材料在技術(shù)方面仍存在一定的缺點。一是高鎳三元材料的鎳比例提升，加劇鎳鋰離子混排，降低了放電比容量；二是鎳在脫嵌鋰過程中相變導(dǎo)致體積變化，降低了材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致循環(huán)壽命下降；三是碳酸鋰等雜質(zhì)在高鎳正極材料上更易形成，高溫環(huán)境會導(dǎo)致脹氣，雜質(zhì)與電解液發(fā)生副反應(yīng)，最終導(dǎo)致循環(huán)壽命下降，；四是鎳含量的增加產(chǎn)生熱量，使得正極材料熱穩(wěn)定性下降；五是高鎳三元材料表面雜質(zhì)增加，電解液配方優(yōu)化方案目前仍屬難題。

3.1.2研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、主要研發(fā)企業(yè)

國際方面，松下、三星SDI、LG化學(xué)等企業(yè)高鎳三元電池已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)（松下鎳鈷鋁三元材料電池配套特斯拉車型，鎳、鈷、鋁比例為8:1.5:0.5，單體電芯能量密度為300Wh/kg）。

國內(nèi)方面，目前企業(yè)普遍在研發(fā)三元材料622體系、811體系技術(shù)，尚未大規(guī)模量產(chǎn)。寧德時代、比亞迪、力神、國軒高科等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)在高鎳三元鋰電池研發(fā)方面已取得進(jìn)展。比亞迪、中航鋰電、比克電池的正極材料采用高鎳三元材料，負(fù)極材料選用納米硅材料體系,2020年能量密度擬提升到300Wh/kg。寧德時代高能量密度電芯采用高鎳三元/硅碳材料體系,計劃2020年達(dá)300Wh/kg。國軒高科、中電力神、億緯鋰能的高能量密度電芯采用高鎳三元正極和硅基負(fù)極材料體系,計劃2020年達(dá)300Wh/kg。

3.2硅碳負(fù)極材料

3.2.1技術(shù)原理、優(yōu)缺點

納米硅與石墨形成的硅碳負(fù)極材料，能夠有效提升鋰電池的克容量，進(jìn)一步實現(xiàn)更高的能量密度。從目前已產(chǎn)品化的硅碳負(fù)極材料性能來看，相比于石墨負(fù)極材料而言，硅碳負(fù)極材料最大的優(yōu)勢在于比容量的提升。硅碳負(fù)極材料的最低比容量均都超過石墨負(fù)極材料的理論比容量。石墨的理論能量密度是372mAh/g，硅負(fù)極的理論能量密度高達(dá)4200mAh/g。

盡管如此，硅碳負(fù)極材料目前仍存在缺點，一是硅體積在充放電的過程產(chǎn)生體積膨脹100%～300%，一定程度上影響電導(dǎo)率。二是硅為半導(dǎo)體，導(dǎo)電性與石墨存在差距，在鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大，首次庫倫效率發(fā)生下降。