顾正建;邓大伟;金园园;严媛;黄惠
【摘 要】随着新材料体系的出现及生产技术的进步,锂离子电池越来越多被应用于新能源汽车、轻型电动车及发电储能等领域.虽然锂电池应用范围越来越广泛,但是其在开发过程中还存在许多需要解决的问题.本文从能量密度、安全性、寿命及成本等方面分析锂离子电池开发面临的技术问题,并分别提出相关解决对策,以期使电池应用得更科学、更安全、更高效. 【期刊名称】《中国资源综合利用》
【年(卷),期】2018(036)004
【总页数】3页(P166-168)
【关键词】锂离子电池;能量密度;安全性;寿命;成本
【作 者】顾正建;邓大伟;金园园;严媛;黄惠
【作者单位】无锡市产品质量监督检验院,江苏 无锡 214028;无锡市产品质量监督检验院,江苏 无锡 214028;金龙联合汽车工业(苏州)有限公司,江苏 苏州 215026;无锡市产品质量监督检验院,江苏 无锡 214028;无锡市产品质量监督检验院,江苏 无锡 214028
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912.9
随着材料体系的更新和生产技术的进步，锂离子电池的应用范围越来越宽，已从便携电子设备扩展到能源交通、发电储能、航空航天等领域。根据应用场景的不同，锂离子电池可主要分为动力型电池和储能型电池。储能电池主要应用在储能电源及系统（如发电储能、UPS、智能电网）和小型电器（如信息通信、数字产品）等。动力电池主要应用在电动汽车、轻型电动车及电动工具等。锂离子电池具有多个重要技术参数，针对其开发存在的问题和解决对策，下面将展开具体分析。
1 能量密度
为了提高锂离子电池的能量密度，人们主要可以从以下几方面入手。
1.1 提高电化学活性元素含量，进而提升放电比容量 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（111）、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（523）、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（622）、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（811）等多种类型的多元材料越来越多地被研究。有研究表明，111、523、622三种材料的放电平台基本重合，且低于811材料，同时放电比容量随着Ni含量的增加而升高。与111材料相比，523、622及811材料的比容量分别增加6.3%、10.4%和29.3%[1]。因此，提升Ni含量必然可以实现多元正极材料能量密度的提升。
1.2 提高电池电极材料的压实密度
电极材料的高压实密度一般可以通过以下方式实现：一是通过混掺大小颗粒，进行级配验证，可寻压实密度较高的大、小颗粒的混掺组合。研究数据表明，通过某种工艺制备的多元材料压实密度可以达到3.75～3.80 g/cm3，相比于常规多元材料可以提升5%～10%[1]。二是提高现有电极粉体材料的致密化。电极材料的颗粒做得直径大、更致密化，这也是一种提升压实效果的有效手段。
1.3 提升电池的工作电压
目前，国内外手机和其他新一代信息技术电子产品电池的生产厂家都在向高电压锂离子电池这个方向挖掘。高电压及高能量密度的锂离子电池在新一代信息技术电子产品上会有更大的市场空间。
2 安全性
为了解决锂离子电池的安全问题，在提高电池单体安全性（本文不做阐述）的同时，人们应从电池组角度入手，强化锂离子电池成组安全技术。锂离子电池组安全技术主要包括管理系统优化、冷却系统优化、安全结构设计等方面[2]。 2.1 锂离子电池组管理系统
锂离子电池组管理系统（BMS）是连接电池和宿主设备的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。优化BMS不但能维持电池组安全可靠运行，而且可延长电池使用寿命。
2.2 锂离子电池组冷却技术
锂离子电池组冷却技术主要包括风冷、液冷和相变材料冷却。
风冷使用空气散热器将电池组内气体形成对流。多数电动汽车采用这种散热方式来增强车内动力锂离子电池组的安全性。
液冷通常将装载循环液体的管道安装在电池模块间。液冷系统一般有以下部件：液冷块、循环液、液泵、管道和液箱。循环液由液泵的作用在循环的管道中流动吸收电池热量。液冷的冷却效果和冷却温度的均匀性均优于风冷。
相变材料冷却作为锂离子动力电池组冷却方案于2000年被首次提出[2]。相变材料是指随温度变化而改变物质状态并能提供分子热的材料。转变物质状态的过程称为相变过程。目前，用于锂离子电池冷却的相变材料有蜡质材料和水合盐材料等。
2.3 安全结构技术
2.3.1 热传播阻断结构
放置于电池模块特征单体之间的隔热材料可用来减少热失控时单体之间热传播。若将隔热材料与弹性材料结合形成复合材料，还可吸收热失控冲击力，实现热量和力量的双重阻断。国外科学家在锂离子电池包中设计了多个装载液体或高熔点、低导热系数的材料的空心横梁，
将电池包分割成多个组，延缓各组之间热失控传播速度[2]。
2.3.2 泄压通道
合理的泄压通道设计可隔离失效电池产生的过量气体和喷射物，抑制热失控的产生及避免直接加热附近正常电池。电池组中每只电池可设计单独的泄压通道，还可在单独泄压通道内增加降温灭火气体，如CO2，N2，Ar等，抑制危险在电池组内扩散。
3 寿命
本文主要从设计和制造工艺角度提出提高锂离子电池循环寿命的方法。
3.1 正负极片需良好匹配
电池设计装配过程中一般要求负极容量相对正极适当过量，可降低锂枝晶产生概率，但过量应适中，防止正极脱锂过多，造成结构坍塌。电解液因素也至关重要，其与正负极活性物质电化学反应过程中、电池化成形成SEI膜时，会有电解液损耗，因此电解液的溶剂、添加剂种类和注液量对电池寿命也至关重要。
3.2 电池生产过程流程控制需严格
活性物质匀浆过程，应注意添加剂（黏结剂、分散剂）的添加量、匀浆速度、温湿度等，保证浆料均匀；涂布过程，要均衡电池能量密度和寿命的关系，合理控制活性物质涂布量；压实环节，寻最佳电极压实密度以增大电池的放电容量，减小阻抗，减小电池极化，延长电池使用寿命；卷绕过程，卷绕终了的电池结构应紧密，隔膜和正负极卷绕越紧密，电池欧姆阻抗越小，但要保证电解液足够含浸在各主材中，卷绕过松会使极片在充放过程中发生过度膨胀，增大内阻，缩短循环寿命。
4 成本
4.1 原材料成本端
降低原材料成本主要从物理角度和化学角度出发。物理角度包括两个方面。一是电芯环节。圆柱路线目前成本最低，主要通过18 650向21 700等大容量单体切换实现进一步降本；软包路线成本最高，主要通过规模化生产降低成本，改进工艺来提升能量密度；方型路线主要通过大容量与壳体轻量化实现成本降低。二是PACK环节。它是目前的重点突破环节，主要通过提升成组效率提升系统能量密度，产业目标为由目前65%水平提升至85%。
化学角度主要是提升正极材料性能。化学角度包括Ⅰ正极材料：高镍NCM材料与NCA材料，高能量密度的正极材料能够大大减少负极、隔膜与电解液等材料的用量；Ⅱ负极材料：硅碳负极替代切换；Ⅲ隔膜：薄型化隔膜；Ⅳ电解液：新型电解液LiFSi。
4.2 梯级利用和资源综合利用
退役电池合理的梯次利用将大大增强电池的经济效益。一般而言，动力电池长时间使用后放电容量低于初期标定容量的80%时，电池不宜在电动汽车上继续使用。但是，一般情况下，容量保持率在60%～80%仍有较大利用价值。使用的方法在理论研究和示范工程应用较多，在商业化推广方面还处在初期的探索阶段。商业化的方式有两种：一是梯次利用，如应用于储能与低速电动工具；二是资源综合利用，提取废电池中的镍、钴等贵重金属，但是难度较大，目前提取成本仍较高。
4.3 模块化设计与纵向一体化
模块化就是在相同的基本架构上进行定制化组合，使得设计、生产车辆就像搭积木一样简单、快捷。这一概念的运用将极大地节省研发成本、验证周期及生产成本。模块化设计在传
统车领域已经非常成熟，随着新能源汽车产销的逐渐扩大及相关标准化要求的提出，这一模式也将被广泛应用。
纵向一体化也能够实现交易成本的下降。人们可从上游矿石材料、电池级材料、电池的PACK和BMS到下游整车的一体化路线，实现成本的有效下降。
5 结语
（1）锂离子电池开发面临的主要技术问题为：能量密度的提升、安全性的提高、循环寿命的提高、成本的降低以及环境适应性的增强。
（2）因续航能力及复杂适用工况的要求，车用动力电池及新一代信息技术用电池设计技术更侧重于能量密度的提升和使用安全性的提高。分析认为，人们可通过提升电化学活性元素含量，提高电池正极材料的压实密度，提高锂离子电池的工作电压等方式，提升电池的能量密度。同时，人们可以通过完善锂离子电池管理系统，提升锂离子电池组冷却技术，增加电池组内热传播阻断、泄压通道等安全结构设计等，提高电池组使用安全性。
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