【新能源】Nature Energy综述：电动汽车锂电池的性能和成本

纳米能源华气能源猎头 2022-04-22

人们普遍认为，电动汽车被消费者接受并实现广泛的市场渗透至少需要500公里的费用。因此，对锂离子电池（LIBs）进行重大改进需要沿电池价值链的能量密度和成本条款，而其他关键性能指标如寿命，安全性，快速充电能力和低温性能，需要增强或至少持续。在这里，我们回顾LIB汽车应用材料的进展和挑战，特别是在成本和性能方面参数。讨论阳极和阴极材料的生产过程，重点是材料的丰富性和成本。研究了用于汽车电池的不同类型的电解质的优点和挑战。最后，能量密度和有前途的电池化学成本进行了严格的评估以及评估潜力，电动汽车推进的虔诚目标。

1900年到1912年这几年是电动汽车历史上的黄金时代，到1912年，电动汽车在美国的使用量达到了3万人，这些电动汽车的动力主要是一种铅-酸电池（LAB），单个电池电压大约为2 V。由于LABs中较差的质量利用率和充电-放电机制，其实际容量含量仅为40 Wh/kg和90 Wh/l，库仑效率和能源效率也仅为80%和70%，所以这种电动汽车被内燃机汽车所取代。随着科技的进步，环保意识的提高，减少汽车排放量必不可少，电动汽车将会进入另一个黄金时代：2016年，在美国有16万混合动力电动汽车（PHEVs）的销售量。

镍氢（NiMH）电池是混合动力电动汽车（HEVs）的首要选择，NiMH电池的标称电池电压为1.2V，可以提供的容量达到80 Wh/kg和250 Wh/l，不过，其库仑效率（70%）和能源效率（65%）比LABs的还要低。如今，PHEVs和电动汽车（BEVs）只使用锂离子电池（LIBs），其提供的容量最高可达260 Wh/kg和700 Wh/l，以及更高的库伦比（99%）和能源效率（高达95%）。为了实现大众市场的渗透，美国能源部和先进电池协会估计至少需要500公里的里程，这相当于电池组的电池容量需要达到235 Wh/kg和500 Wh/l，电池单元的电池容量需要达到350 Wh/kg和750 Wh/l，此外，电池组的成本必须要低于125 US$ kWh–1 。

为了满足能源和成本目标，整个电池价值链需要整体的改进。除了LIBs，含固体电解质的锂金属电池也被考虑应用在电动汽车上，图1b描述了含两个插层电极的锂离子电池和固态锂金属电池中Li+反应原理图。这篇综述调研了在活性材料、电解质、隔膜和电动汽车电池的化学反应上最近的研究，主要关注性能、生产和成本这三个最重要的方面以及对未来发展的展望。

人工石墨（SGs）和天然石墨（NGs）以及无定形碳（硬碳和软碳），是应用较多的碳质负极材料，与NGs相比，SGs的纯度高、波动低，通常用非晶态和石墨化碳的混合物来进行优化，如优化P:E的比值。目前，在一些商业电池中（如松下或日立），在碳电极中加入少量的硅（大部分为SiOx）以进一步提高电池的容量。此外，钛酸锂（LTO）也被用于商业电池（如东芝的SCiB），由于其低的电池电压（这里说的应该是形成的全电池电压低）和高功率能力，LTO-基电池更适合高功率上的应用，特别是在电动巴士中。锂金属被认为是未来最有希望的负极材料，特别是在使用陶瓷或聚合物电解质的全固态电池（ASSBs）中，现在已经用在锂金属聚合物电池上。目前，SGs的市场份额为43%，NGs的市场份额为46%（2016年数据），而无定形碳的所占比例仅为7%，这显然证明了碳基负极材料的主导地位。相比之下，LTO基和硅基的负极材料仅占2%左右。

自从LIBs的商业化以来，正极已经成为电池整体容量提高的一个瓶颈。对汽车电池的正极活性材料的关键要求包括：高比容量，高放电电位，高安全性，高能量密度，快速的电池反应动力学和良好的稳定性等。目前技术比较成熟的是具有LiMO2型的层状氧化物正极，包含了过渡金属（M），如镍、钴和锰（NMC）或镍，钴和铝（NCA）被广泛用于汽车电池的正极活性材料。

目前，电动汽车的电池组容量最高只达140 Wh/kg和200 Wh/L，而预期大约需要235 Wh/kg和500 Wh/l的容量才能达到500公里的里程，距离这个目标还很遥远。现在正在做的研究工作主要是对电池材料进行修饰，比如在负极上增加硅含量，在正极材料中增加Ni含量等。同时在保持足够电池容量的同时，也要实现电动汽车的快速充电（20 min内达到80% SOC），这对用户来说至关重要。为了能与内燃机汽车（ICEVs）市场竞争，电动汽车的电池组的成本需要降到125 US$ kWh–1，当然由于更严格的二氧化碳和氮氧化物排放规定，ICEVs的价格可能会变得越来越昂贵，这会是电动汽车发展的一个优势。目前，电动汽车的电池成本在电池单元和电池组层面上分别为100-170 US$ kWh–1和220-250 US$ kWh–1。预计要到2022-2025年的时候，电池组的成本可能能达到125 US$ kWh–1，同时更大的市场规模和更高程度的生产自动化是降低成本的驱动因素。LIBs在容量和成本方面有望在未来能有进一步的提高和降低，同时也希望未来能够发展新的电池机理，能够提供更高的电池容量。

未来10年，LIBs在汽车上的应用仍将占主导地位，考虑到汽车工业的长期发展周期，LIB技术不太可能会被任何“下一代”技术所取代，比如锂基电池（ASSBs、Li-S、Li-O2）或Na基电池和Mg基电池等。同时，目前在全球范围内已大规模投资生产LIBs，新兴电池技术的成本竞争将会变得越来越困难。就现在的角度来看，下一代汽车电池应该是目前LIBs的改进版本。

来源：纳米能源
编辑：华气能源猎头（energyhunt）
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