专访孔祥泽博士：动力电池性能提升还有哪些路径？
撰文 | Sueyl
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第186篇原创
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
电动车的飞速发展对其动力电池的需求以及性能要求越来越高，动力电池也迎来了装机量爆发的“高光时刻”，发展前景一片光明。
业界认为，电动车的电池性能仍然具备广阔的提升空间，尤其是能量和功率密度、循环寿命、安全性和快充性能等多个维度，因此基于差异化的出行需求，将为动力电池发展提供方向。
本期《环球零碳》的“碳中和人物专访系列”专访了孔祥泽博士。孔祥泽是长安大学材料科学与工程学院博士研究生，专注于研究锂离子电池，主要研究方向是从锂离子电池的正极材料角度提升电池性能。孔祥泽博士科研期间，获得国家留学基金委公派出国项目资格赴芬兰阿尔托大学化学工程学院电化学能量转换课题组研学2年，专注于锂离子电池镍酸锂基高镍正极材料研究。
孔祥泽博士
Q1
为什么会想到用不同元素掺杂改变电池性能？
A
目前电动汽车电池已商业化的正极材料是高镍材料，像特斯拉等知名电动车品牌就是走的这种技术路线。但目前制约电动汽车发展的原因主要是电池的能量密度，快充性能，安全性等，孔祥泽博士表示。
所谓电池能量密度（Energy density），就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。在一定条件下，新能源汽车的单次最大行驶里程主要取决于电池的能量密度。电池的能量密度越大，单位体积或单位重量内储存的电量就越多。
孔博士表示，自己曾经和出租车师傅聊天时了解到，目前大部分电动车即使充满电，但也跑不了长途，只能在市区跑一跑。这就是受限于电池的能量密度。
电动汽车的快充性能（倍率性能）是另一个需要突破的问题。就像某手机宣传语提到“充电5分钟，通话2小时“，消费者自然希望充电越快越好，这样可以大大节省时间。另一方面，瞬时加速度也和电池的倍率性能有关，电动汽车在制动后必须具有快速恢复行驶速度的能力；其次，电动汽车在我国部分地区不可避免的需要在低温环境下工作，而锂离子电池在低温下的倍率性能仍是一个挑战。
目前电动汽车动力源主要是锂离子电池，锂离子电池主要是由正极材料、负极材料、电解液和隔膜四大关键材料组成，每个部分对电池性能的影响都很大。而孔祥泽博士所在的课题组主要的研究方向就是锂离子电池中的正极材料。
目前市面上的电动车动力电池的正极材料主要是镍酸锂基高镍正极材料（LiNiO2-based Ni-rich materials）。和钴酸锂正极材料相比，尽管这种镍酸锂基正极材料的实际放电容量更高，但该材料体系面临着合成困难和循环稳定性差的问题，这是由于其的晶体结构特点导致。
图说：镍酸锂晶体结构
来源：[1]
孔博士解释说，镍酸锂晶体的层状结构，在电池充电、放电过程中，在锂离子嵌入和脱出后可能会引起“阳离子混排”问题，也就会导致晶体结构坍塌和有害相变（高电压下尤为明显）的发生。由此导致材料的容量降低，循环稳定性变差。
通常来说，即我们日常手机电池使用年限较长时（电池充电多次后），可以使用的时间越来越短，放电容量大不如从前。为了改善电极材料的循环稳定性，可以掺杂一些其他元素，一定程度稳定原晶体结构，抑制阳离子混排问题、有害相变的发生，从而提高电池的循环稳定性。
Q2
在研究几种单元素掺杂剂中，哪种效果最好？
A
孔博士科研期间主要研究了铜 [1]，铝[2]，钨[3]等掺杂剂对镍酸锂基掺杂本体的作用机理。
铝离子掺杂主要是考虑到其储量大，低成本。孔博士表示，如果以产业化为目标，那么成本是一项十分重要的影响因素。如果将贵金属如金、铂掺杂到材料体系中，即使是性能有所改善，但是并不契合产业化的宗旨，也不利于进入消费者市场。铝是我们常见的金属，地壳中含量也较丰富，价格低廉。铝掺杂对镍酸锂材料的的稳定性提升十分明显。
与未掺杂材料相比，适宜浓度的铝掺杂材料在0.5C电流密度测试时，循环400次的容量保持率从59%提升到81%。
图说：铝掺杂正极材料性能
来源：[2]
此外，针对镍酸锂材料体系还研究了铜和钨元素的掺杂，它们均可提高电池的性能，但孔博士表示不同掺杂剂对掺杂本体的作用机理不同。综合多方面考虑，认为铝掺杂的效果最佳。
Q3
研究成果有哪些运用？
A
孔博士表示课题组关于铜掺杂的研究，对电池回收过程有一定的指导意义。
铝和铜都是电池电极材料中制造集流体的金属，一般铝作为正极材料的集流体，铜是负极集流体。考虑到锂离子电池已大规模商用，世界范围内的锂离子电池废料的数量增长迅速使得回收问题越来越受重视。
孔博士说，铜是锂离子电池的回收过程中的主要杂质之一，由于铜具有较高的溶解常数，很难在锂离子电池回收产物中完全分离出来。孔博士发现微量的铜掺杂对镍酸锂正极材料的稳定性有提升作用，因此在锂离子电池正极材料的回收过程中，不必将铜元素完全去除。
除此之外，单元素掺杂也一定程度上提高了正极材料的倍率性能，也即是所谓的快充性能，对电动车的发展有着借鉴意义。
Q4
电池性能提升还有哪些路径？
A
结合多种改性方式，如显微结构调控，材料表面包覆，多元素掺杂等路径；也可以通过调整一些元素的比例来选择性地放大材料某方面的优点。
市面上的电动车动力电池的正极材料主要是NMC811（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2）或者NMC622（LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2），注意他们的分子式锰、钴、氧元素系数之和都是1，本质上都是镍酸锂正极材料的衍生物。
孔博士告诉《环球零碳》，这里的锰、钴元素也可以看作是“掺杂”，通过调配两者在镍酸锂基材料分子式的占比，会获得不同效果的电池性能。镍是提高材料放电容量的主力，并且成本较低。钴在高镍三元体系材料中的作用是减少阳离子混排，稳定材料的晶体结构，但是钴含量过高会导致材料的实际容量降低，材料成本上升和污染环境等问题。锰可以抑制材料相变维持晶体结构的稳定性，提高安全性，但也不能过量。
特斯拉就是采用的高镍电池，“特斯拉电池去钴化”的话题引起了广泛关注。但相关参数是商业化数据，是保密的。总之，为了进一步提升动力电池的能量密度，正极材料发展趋势是更高镍含量的方向。
Q5
对电池安全性问题的看法？
A
孔博士表示，电池的安全性是应该解决的首要问题。
对于消费者来说，电动汽车的性能固然重要，但是其安全性应排在第一位。目前，电动汽车爆炸的情况时有发生。由于液态电解液的存在，镍酸锂基正极材料会有安全性问题。正极材料本身有O2释放的问题，释放出的O2可以与电解液发生放热反应。
针对这一问题，固态电池利用固体电解质，相比于液态电解质，安全性将大大提高。国务院《新能源汽车产业发展规划（2021~2035）》中，也明确要求“加快固态动力电池技术研发及产业化”。中汽数据预计，全球固态电池有望2030年实现产业化。
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参考资料：
[1]Kong, Xiang-Ze, et al. "Effect of Copper-Doping on LiNiO2 Positive Electrode for Lithium-Ion Batteries." Journal of The Electrochemical Society 167.14 (2020): 140545.
[2]Kong, Xiangze, et al. "New insights in Al‐doping effects on the LiNiO2 positive electrode material by a sol‐gel method." International Journal of Energy Research 45.7 (2021): 10489-10499.
[3]孔祥泽, et al. "钨掺杂对锂离子电池 LiNiO2 正极材料性能的影响." 无机化学学报 35.7 (2019): 1169-1175.
[4]Xu B., et al. Recent progress in cathode materials research for advanced lithium ion batteries[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2012, 73(5-6): 51-65.
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