下一代动力电池及材料发展趋势探讨

Advanced Materials Industry10由于化石资源的匮乏和空气污染的日益加重，汽车动力的电气化已成为未来汽车工业发展的主攻方向。

鉴于电动汽车在保障国家未来能源安全和发展低碳经济方面的重要作用，先进发达国家近年来纷纷出台了旨在推动电动汽车发展的国家规划。

如，美国提出了到2015年普及100万辆插电式电动汽车的目标，并国拨24亿美元用于支持电池与电动车研发与产业化；日本计划到2020年，各类电动汽车的市场保有量达到1350万辆，并详实提出了下一代汽车用蓄电池技术开发路线图；德国政府在2009■ 文/艾新平武汉大学化学与分子科学学院下一代动力电池及材料发展趋势探讨年8月发布的《国家电动汽车发展计划》中，明确了以纯电动车和插电式电动车为重点的战略目标。

我国对电动车的发展高度重视，从“十五”开始就设立了“电动汽车”重大科技专项。

国务院在前不久正式发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》中，明确提出了未来8年我国电动汽车发展的产业化目标，规划指出，到2015年纯电动车和插电式混合动力车累计产销量达到50万辆，到2020年纯电动车和插电式混合动力车生产能力达到200万辆、累计产销量超过500万辆。

然而，我们应当看到，作为电动汽车的“引擎”部件，动力电池的现有技术及经济指标还难以满足纯电驱动电动汽车的技术发展和普及应用要求。

由于受制于现有动力电池低的比能量，纯电驱动电动车的一次充电续航里程过短，严重制约了电动汽车的技术发展和市场接受程度。

业界认为，只有当纯电驱动的电动汽车续驶里程达到与燃油车相近的水平时，电动汽车才有可能真正进入普及期，也就是说，动力电池系统的比能量需要达到500W h /k g以上。

而目前使用的磷酸铁锂和锰酸锂动力电池，单体电艾新平 武汉大学化学与分子科学学院教授，湖北省化学电源材料与技术重点实验室主任，国家“863”节能与新能源汽车重大专项监理专家。

曾参与工信部组织的国家《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》的制订，主持国家“973”项目课题、国家自然科学基金以及国家“863”计划项目多项；长期从事电化学能源材料与技术的研究，主要研究领域包括锂离子电池正负极材料、安全性技术，以及高比能锂-硫二次电池，提出并发展了电压敏感隔膜、热敏感电极、热敏感材料等安全性新技术；在国内外学术刊物上发表论文40余篇，获准国家发明专利8项，在锂离子电池材料与技术研究方面获部级一等奖2项。

新材料产业 NO.9 201211池比能量仅110～120W h /k g，如果按单体到系统能量密度的实现效率为70%计，组合成电池包后，电池系统能量密度还不到90W h /k g，与纯电驱动电动车的技术要求相去甚远。

因此，从普及纯电驱动电动汽车的远期目标出发，研究、制订下一代动力电池的技术发展路线，以持续提高动力电池的能量密度，对于电动汽车的发展具有十分重要的意义。

一、下一代动力电池的开发目标为大幅度提高动力电池的能量密度，先进发达国家和我国近年来都纷纷出台了动力电池的近期、中期及远期发展目标。

日本在《NEDO下一代汽车用蓄电池技术开发路线图2008》（N E D O指日本新能源产业的技术综合开发机构）中，明确提出了未来动力电池的发展规划。

基于目前二次电池的技术水平和发展趋势，N E D O路线图提出：到2015年，能量型动力电池模块（以0.3k W h模块为例）的能量密度从现在的100W h /k g提高至150W h /k g （如果按单体到模块能量密度的实现效率为80%计，则电池单体的能量密度需要达到190W h /k g 左右）；到2020年，能量型动力电池单体比能量达到250W h /k g ；至2030年，基于先进体系动力电池的比能量达到500W h /k g以上，纯电动车的续航里程与燃油车相当。

对应于上述技术开发目标，N E D O 将动力电池的发展划分为先进锂离子电池（2008-2015年）、革新性锂离子电池（2015-2020年）和新体系动力电池（2020以后）3个阶段。

由此可见，在未来相当长的时间内，锂离子电池仍将是动力电池的主流产品。

但考虑到锂离子电池的能量密度难以突破300Wh/kg这一极限值，更高比能量的动力电池将寄托于新体系的发展。

美国能源部在其动力电池研发路线图中，将150W h /k g列为动力电池系统的近期开发目标（至2015年），对应的单体电池能量密度需要达到200Wh/kg以上。

德国联邦政府于2009年8月发布了以纯电动车和插电式电动车为重点的《国家电动汽车发展计划》，该计划提出，至2015年电池系统的能量密度在目前基础上提高1倍，达到200W h /k g （折算成单体电池，其能量密度至少需要达到280W h /k g以上）。

相比于其他国家的动力电池发展规划，德国政府所拟订的动力电池发展目标最为乐观。

我国在前不久国务院颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》中提出，至2015年动力电池模块的能量密度达到150Wh/kg （折算成单体电池，其能量密度大约需要达到170～190Wh/kg），至2020年动力电池模块的能量密度达到300W h /k g （对应的单体电池能量密度至少达到330Wh/kg以上）。

由上述国内外动力电池的发展规划可以看出，如果将下一代动力电池的发展分为近期、中期和远期3个阶段，则近期（2008-2015年）规划的目标指标普遍为单体电池能量密度达到150～200W h /k g，中期（2015-2020年）的开发目标为单体电池能量密度达到250W h /k g以上，远期（2020-2030年）目标为电池系统的能量密度密度达到500Wh/kg以上。

二、下一代动力电池体系与材料分析对于锂离子动力电池来说，由于借鉴了小型锂离子电池近20年的大规模产业化经验，电池工艺设计已相对成熟，单纯依靠工艺改进来提高电池比能量的空间已经非常有限。

因此，目前采用磷酸铁锂和锰酸锂为正极、碳材料为负极的锂离子动力电池在能量密度上很难有大的突破，即使在满足下一代动力电池的近期目标上也存在不可逾越的困难。

由此可见，开发高比能新材料、发展新的动力电池体系是未来动力电池比能量得到大幅度提升的唯一可能途径。

那么，基于何种材料体系的锂离子动力电池在理论上可以满足下一代动力电池的近期和中期发展目标呢？哪些新体系动力电池在理论上可以满足动力电池的远期发展目标呢？下面对此给予简单的分析。

对于一个化学电源体系来说，参照电池反应式，根据其正极、负极活性物质的实际比容量、输出电压能够计算出一个比能量值。

由于在此计算过程中仅考虑了正极、负极活性物质的质量，这一比能量值被称之为“理论比能量”（用W 0表示）。

但对于一个实际电池体系来说，除参与电池反应的电极活性物质外，还包含许多其他组成和结构材料，如导电剂、粘结剂、集流体、电解液、隔膜和外壳等，而且，在设计时出于各种考虑，实际电池往往需要某一活性电极材料过量。

例如，为了避免充电过程中负极析锂并提高电池的安全性，锂离子电池碳负极材料一般过量5%～10%，甚至更多。

因此，电池的实际比能量（用W表示）往往低于其理论值。

如果将电池实际比能量与理论比能量之比定义为“实现效率”（用η表示），则3者之间存在以下关系：W =W 0·η。

显然，只要知道了实现效率，我们就可以将拟订的比能量规划目标值作为实际比能量值，反推出所要求的电池理论比能量，大致分Advanced Materials Industry12析出可能的材料体系和电池体系。

影响电池实现效率的因素非常多，事实上，不同材料和不同体系的电池，甚至同一材料体系但不同结构的电池，实现效率均不相同，从理论上难以给出确定值。

但通常情况下，可以通过对现有实际电池体系的分析，获得有关电池比能量实现效率的经验值。

表1列出了现有锂离子电池体系的理论比能量与实际比能量。

从表1可以看出，实际电池的能量实现效率大约为理论比能量的36%～39%。

考虑到电池的工艺技术仍有一定程度的发展，选择40%作为电池比能量的实现效率可能是一个比较恰当的值。

当选择电池比能量的实现效率为40%时，要实现下一代动力电池的近期、中期、远期发展目标，就要求电池的理论比能量（大约值）分别达到：近期目标大于75W h /k g，中期目标大于625W h /k g，远期目标大于1250Wh/kg。

考虑到近期、中期动力电池的发展主要以锂离子电池为主，在假定电池平均工作电压为3.7V的情况下，根据上述理论比能量数据，通过简单的计算，可以获得材料体系的典型比容量要求值，结果如表2所示。

从目前锂离子电池正负极材料的技术现状来看，正极方面：锰酸锂的比容量可以达到110mAh/g，镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）三元材料（NCM）的比容量约160mAh/g，Ni、Co、铝（Al）三元材料（NCA）的比容量约180mAh/g，而锰基固熔体〔xLi 2MnO 3·(1-x)LiMO 2(M=Mn，Ni，Co)〕的比容量可以达到250mAh/g以上，几乎接近了嵌入正极比容量所能达到的理论极限，是目前为止比容量最高的锂离子电池正极材料。

负极方面：目前最为成熟、应用最广泛的仍然是石墨类碳负极(C)，其实际比容量已达到340～350mAh/g，非常接近其理论比容量372mAh/g，进一步提升的潜力有限。

从目前负极材料的研究进展来看，开发更高比容量的负极将主要寄托在锡基和硅基材料上，其中，硅基材料具有高达4200mAh/g的理论比容量，发展潜力更大。

不过，即便是采用硅基负极，由于电池内部受到活性组分在储锂-脱锂过程中巨大的体积变化制约，在保证材料循环稳定性的条件下，实现1000mAh/g以上的比容量值也存在非常大的挑战。

根据正负材料的技术发展现状以及未来可能达到的技术水平，结合表2所给出的数据，可以大致分析出满足下一代动力电池技术发展目标的可能体系（表3）。

当然，最终哪一种技术体系能够进入实用化，还有赖于材料技术的发展，其中，最不确定的材料是高容量、长寿命的锡基和硅基负极。

在分析满足远期目标的可能体系之前，不妨先分析一下锂离子电池可能达到的技术极限。

从锂离子电池现在所采用的正极来看，过渡金属氧化物正极在提高电池比能量方面显然较聚阴离子正极（如磷酸亚铁锂）更具优势，其通用分子式可用LiMO 2来表示，其中M表示过渡金属。

从目前研究结果来看，如果M为单一金属元素，考虑到材料结构的稳定性，正极材料在充放电过程中其电子转移数往往被限制在1个以内；如果为多种过渡金属，则其中一种金属原子的变价可能超过1，但平均电子转移数也基本被限制在1个以内。

如果过渡金属元素的原子量为50，则过渡金属氧化物正极的理论比容量约为300mAh/g，这一数值有可能是过渡金属氧化物正极比容量的极限。