锂动力电池的发展趋势及其技术路线
浙江遨优动力系统有限公司副总经理艾群在「第18届中国青海绿色发展投资贸易洽谈会-锂产业国际高峰论坛」上发表主题演讲。以下为演讲主要内容：
汽车年产销规模达到3500万辆
图1 新能源汽车产销量（2015~2030）
首先介绍锂动力电池的发展趋势，这几年动力电池的发展趋势非常迅猛。据2016年10月发布的《节能与新能源汽车技术路线图》中的数据，到2025年，中国汽车产销量将达到3500万辆，其中15%~20%位新能源汽车（如图1所示），约为610万台（取均值）。并且，在纯电动汽车（Electric Vehicle，EV）和插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）上的增长速度已经超过了混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）。到2025年，整个动力电池的预计产能会达到85GWh（10万kWh）。但是早上各位专家也说到，整个动力电池的产能已经超过了电动车对它的需求，但是高端电池的需求还是缺乏的。
图2 EV与PHEV电池性能要求（2020~2030）
如图2所示，《节能与新能源汽车技术路线图》分别对EV电池与PHEV电池的性能指标按3个时间跨（现在~2020年，2020年~2025年及2025年~2030年）度作了具体的要求：
就EV电池而言，到2020年比能量要达到350 Wh/kg（指对单体电池的性能要求，下同），寿命要达到10年内4000次充放电，而成本则约为0.6元/Wh；
就PHEV电池而言，到2020年比能量要达到200Wh/kg，寿命要达到10年内3000次充放电，而成本则约为1元/Wh。
此外，2025年和2030年对电池的上述性能的改善程度分别有不同的要求，可参考图2中的信息做进一步的了解。
动力电池的一个发展关键，无非是这几个方面，说起来非常简单，但是做起来非常难，第一个是一致性要求非常高，除了单体以外，特别是成组之后的一致性。在安全性方面，因为它关系到人的生命财产安全的，所以在安全性方面也是一定要做到的。最理想的电池应该有以下特点：
低成本，高功率密度；
免保养，好的高低温性能；
环境友好，长充放电循环寿命；
能实现快速充电。
锂电池动力电池的体系发展路线，从目前来看还是在磷酸铁锂、三元还有锰酸锂加碳的体系，目前的比能量已经达160到200 Wh/kg左右了，后面还要继续发展。从高镍体系，NMC、NCA还有高镍的镍锰体系加碳，可以做到200到280 Wh/kg。要做到250到400 Wh/kg，除了政策的配合，还需要核心材料比如说硅碳、锡等材料的应用。要大于400 Wh/kg以上，基本上体系方面要发生变化，像前面几位教授讲到的锂硫电池、锂空等新的体系的应用。
在技术路线方面，我们分这三个方面来进行阐述。
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动力电池形状
目前在动力电池方面按形状分有三种，方形、圆柱、软包。从这些产品的各项市场比例来讲，软包电池在近几年已经呈一个非常上升的趋势，在某些高端领域，比如说通用沃蓝达、日产的这些电池都是应用的软包电池。软包电池的占比在以后的趋势中有望超过50%。
软包电池跟其它的两种方形和圆柱电池比较起来，最大的优点是安全性能。由于它是软包装，是通过PP膜热封封口的方式，所以承受的内压比较低，一般在2到3公斤就会释放压力。圆柱和方形锂电是通过软口或者是激光焊的方式，一般承受的压力在10到15公斤左右。所以如果当防爆阀不能完全打开的时候，可能会发生这种爆炸的问题，所以从三种形状上来比较的话，软包装的安全性能是略胜一筹的。
还有软包装在充电和放电方面也是有优势的。从1997年开始，软包装就已经应用在MP3和数码电池领域，2001年开始应用在手机、蓝牙耳机，2004年应用在航模，2005年开始就已经在电动自行车、平板电脑上有应用。后面的几年就开始侧重于动力电池的应用，实际上从分析数据来看，近几年的动力电池方面的增长速度已经超过了消费类的发展速度，而软包装的发展史基本上就是遨优的技术团队一起成长起来的。
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动力电池上下游产业链
图3 新材料在线所整理的锂电池产业链全景图
从新能源汽车产业链来看，主要分上、中、下游：
上游方面主要是镍矿、石墨、锂矿、正负极材料的矿资源；
中游主要是电芯材料这一块，正极、负极、电解液、隔膜还有一些其它的材料，中间就是我们电池制造和PACK组装这一块；
下游面临的就是手机等等消费类电子，还有电动工具、电动自行车、电动新能源汽车和储能系统。
从新能源汽车成本的角度分析，动力电池基本上已经占据了新能源汽车的50%的成本。所以为什么这么多大的乘用车厂一定要有自己的电池厂家和PACK厂家，如特斯拉和戴姆勒，这也是新能源汽车的核心技术，从成本上也可以看到。
从整个动力电池的成本的角度分析，正极占到35%到50%左右，最近特别是正极材料涨价之后，基本上它的整个成本已经占到整个动力电池的50%。其它的如电解液、隔膜这些大概是占10%几左右。
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影响动力电池的寿命的因素
图4 锂动力电池工作原理
（正极材料为LiCoO2，正极材料为C）
影响动力电池的寿命的几大因素，主要有正极、负极以及电解液、隔膜。其中，正极在包覆、掺杂、颗粒度前躯体等方面的性能都会影响我们动力电池的寿命。
正极材料方面主要是要求氧化还原变化定位小，化学稳定性要好，还有颗粒、形貌、材料搭配，重点还有它的离子电导率，大电流的充放电性能。负极也是一样，希望形成必须好的SDI膜，能够快速容纳锂离子，能够快速充电和放电，放电性要非常好。
电解液方面，我们通过研究新的材料搭配，还有SEI膜的成膜添加剂，还有一些过充的添加剂。因为我们国家新的国标要求对三元也有要求，要求它的电压要EC充，高于1.5倍的电压测试要能够过，所以在电解液方面还有正极包覆方面的结合要通过这个测试。电解液要对防腐蚀方面有添加剂，还有可以降低内阻、提高表面活性、提高正极成膜性能的添加剂。
隔膜方面，我看到前面中科院的老师也介绍到，我们在隔膜方面，因为在动力电池应用方面要求安全性能要好，所以它的热收缩能力好，还有离子的导体，能够快速地通过离子导体的涂层隔膜，还有耐高电压的隔膜。
目前来看，正极材料有这样几种选择，一种就是目前我们用的最多的，就是NCM（即镍钴锰酸锂）523、NCM622甚至NCM811这些可能都还在实验室的阶段，没有进行量产。还有镍锰的二元类的，这种可能就需要电压比较高，5伏的这种，还有特斯拉运用的这种镍钴锂三元材料以及我们非常看好的碳负极锂电池——因为它没有价格特别贵的镍和钴金属，能量密度也非常高，如果能够非常好地应用这个材料，可以马上让动力电池的成本下降。
我们对不同三元材料容量分析发现，随着镍的含量的添加，它的容量会越来越高，但是匹配它的就是需要一些高电压的电解液、隔膜，比如还有一些加工工艺方面的匹配。
在电解液方面，通过一些新的锂盐来配合这个体系，比如说加一些ODFB，包括现在的一些TFSI和FFSI这些盐类， 54 23329 54 12662 0 0 6567 0 0:00:03 0:00:01 0:00:02 6567包括一些改善低温的二氟磷酸锂，通过在正极形成保护膜，使三元与正极电解液的反应，提高电池的寿命。
富锂锰基材料主要是在2到4.8伏，能够发挥250毫安时以上的容量。但是因为这个材料结构上的一些问题，还有它本身面临的一些局限性，可能有很多专家不看好这个材料。但是，因为它的锂扩散效率比较低，它的平台会逐渐降低这些缺点，所以包括科研机构和很多企业都没有很好地利用好这个材料，其实通过一些掺杂、改性、纳米化和改善包覆可以逐渐克服，目前在我们实验室已经有比较好的结果。
后面还有磷酸铁锂，它能够提高它的电压平台，能够保持磷酸铁锂的安全性能，并且提高能量密度，这也是有希望的一种材料。还有就是前面提到的一些新的钠盐，硫酸铁钠等材料，不用磷酸铁锂合成的材料，也是新型的材料，它是可以降低成本的。
负极材料方面目前大家纷纷都提到的也就是硅碳，但是因为硅碳自身的一些特点，比如说它的膨胀性和它的守时效率的问题，大家也都纷纷想办法解决这方面的问题，包括补锂以及跟碳的一些复合，以避免它的缺点、应用它的优点。把硅纳米化，和石墨烯掺杂，还有PV连接器都是为了更好地运用硅碳，再跟电解液的一些配合。
除材料方面以外，在电池工艺方面也非常重要，会影响动力电池的寿命。
首先第一点是涂覆的一致性，涂覆是动力电池的一个基本，如果这个程序没有做好的话，后面就很难做出性能非常好的电池。所以在涂覆方面，其实现在国内的自动化程度已经上到一个水平，现在我们都会应用这种挤压式的涂覆，能够控制在±1的精度，并且通过X射线或者β射线控制涂覆的密度进行闭环控制。
还有生产过程中的压实密度的一致性也对电池的性能影响非常大，特别是在负极的压实方面，会对电池的循环还有能量影响非常大。
还有水分的控制以及化成技术。软包装在化成技术上有一定的优点，可以利用高温加压化成的技术，圆柱或者是铝壳电池。铝壳电池目前采用负压，一个大气压左右，但是软包装可以加好几个这种压力，可以更密切地让正极和负极接触，手持的时候可以形成致密的膜，保持它后期的性能。
还有保液量。有专家说后期把电池拿回来要进行补液，来让它的二次寿命能得到提升，进行二次利用。实际上补液量在首次的时候也非常重要，直接影响到电池的长循环的使用。
我的演讲完了，谢谢大家！
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