改善锂离子电池的五种途径

左上角：硅是如何大幅度提高能量密度的。

左下角：聚合物电解质。

右侧：报告合著者Alex Holland。

通常设计和生产的锂离子电池是否接近其性能极限？一篇新的报导提供了五种改进途径。

技术业务咨询公司IDTechEx发表了一篇被称为《2022-2032先进锂离子电池与超越锂电池：技术、参与者、趋势、市场》的报稿，该报稿由储能技术专家Alex Holland与Xiaoxi He编写。根据合著者的观点，在文章中总结了五个关键点：“目前锂离子电池的迭代是基于石墨阳极、液体电解液以及镍钴锰和磷酸铁锂等阴极材料，一般被认为达到了电池性能的极限。然而，从电池材料到电池设计，仍然有几个途径可以进一步提高性能和成本。”

从石墨到硅的转变

硅阳极有望显著提高能量密度和性能，为现有石墨阳极提供了令人兴奋的替代品。尽管材料硅在阳极中的使用量很少，小于5 wt%，但由于其固有的体积膨胀以及由此产生的稳定性和循环寿命问题，很难超越其作为添加剂的用途。

然而，硅阳极技术已经在过去10至15年稳步改进，允许电池可以在阳极中使用5-100%的硅。

2022年的发展突出了对该技术的兴趣，包括Nexeon向SKC筹集2亿美元资金和许可材料，安普瑞斯（Amprius）决定上市，Group14 Technologies的4亿美元融资回合，以及POSCO Holdings收购Tera Technos。此外，安普瑞斯交付了450 Wh/kg的商用电池用于卫星，然而2021年9月发布的Whoop 4.0健身穿戴设备利用了Sila Nano的硅阳极技术。

结合这些发展，随着硅阳极市场在各种应用中的采用可能性越来越大，硅阳极市场也愈发成熟。例如，IDTechEx预测硅阳极材料的使用将大幅增长，尽管预计到2030年石墨仍旧占据主导地位。

阴极合成的新方法

未来的锂离子电池可能会使用今天市场上可买到的类似阴极材料。改善阴极材料通常是循序渐进的。

相反，阴极技术和创新的最大转变可能源于它们的合成方式。目前的合成技术需要在相对较长的时间段（天）内高温，同时也需要使用大量试剂和水，导致高制造成本和环境影响。Nano One Materials与6K Energy这两家公司的目标是将合成阴极材料的新方法商业化。

Nano One Materials利用基于溶液的‘one-pot’方法来生产涂层阴极材料。该公司与阴极制造商Pulead合作，并于2022年初与巴斯夫（BASF）签订了开发协议。

6K Energy利用微波等离子体反应堆来生产其阴极材料，尽管他们也能够合成硅阳极和固体电解质材料。6K Inc于2022年5月在D轮融资中完成了1.02亿美元的交易，并与锂生产商Albemarle和阴极初创公司Our Next Energy签订了开发协议。

Nano One Materials与6K Energy都有望简化生产流程，以提高吞吐量、产量、更低的制造成本以及减少对环境的影响。

固态电解质与新型电解质配方

虽然固态电解质引起了人们对电解液技术的极大关注，但使用新型添加剂和电解质配方可以不断改进液体电解液系统。例如，New Dominion Enterprises正在研发基于磷腈和磷氮化合物的电解质添加剂和溶剂，以提高安全性和性能。具体来说，其电解质添加剂材料可以提供热稳定性，降低蒸汽压和改善SEI的形成。从长远来看，该公司的目标是用他们的电解液系统完全取代传统使用的有机溶剂，并有可能显著提高安全性。

然而，对于许多电动汽车制造商来说，最重要的电池技术仍然是固态电池，可以通过固态电解质代替当前使用的易燃液体电解液，从而大幅提高安全性。此外，固态电解质还提供了使用锂金属阳极的潜力，能量或可超过1000Wh/l。2031年，固态电池市场有望增长至80亿美元以上，液体电解液仍旧是市场中的重要部分。固态电解质系统的稳定性、循环寿命、可制造性，甚至在安全性方面的挑战意味着不同电解质系统之间的竞争仍在继续。

节省空间的电池组

特别是对于电动汽车，电池组的设计为增强性能提供了另一关键途径。许多汽车公司已采用电池到电池组的设计，以消除与模块外壳相关的材料，优化包装效率，最终有助于提高能量密度，改善电池与车辆的集成。比亚迪宣传将容量利用率提高50%的可能性，从40%提高到60%，电池制造商CATL宣称最新的电池到电池组的设计可实现72%的容量利用率。2022年早期，CATL宣布磷酸铁锂电池组可达到160Wh/kg，290Wh/l，可与镍钴锰电池组竞争。

最大限度地提高能量密度有助于缓解廉价磷酸铁锂电池的主要缺点，为廉价且续航长的电池提供了一条新途径。这些种类的电池设计确实存在可用性降低的缺点，这会限制其在商用汽车的使用。

更智能的电池管理系统

电池管理系统(BMS)的改进可以提供一条改善电池性能的多个方面的途径，而无需与材料开发相关的挑战。例如，Qnovo强调了其电池管理系统软件与分析有助于同时提高安全性、循环寿命和充电时间，以及增加电池的可用容量。该公司通过结合电池使用数据与电池阻抗测量来实现这一点，这些数据为锂离子电池的物理模型提供了信息，进而用于优化操作和充电协议。其电池管理系统解决方案的另一使用案例可能来自电池故障检测，这一点在近期召回的电动汽车上是非常有价值的。

除了电动汽车之外，改善电池管理系统对于智能手机、电动工具等其他终端用途也具有较高的价值。一加（OnePlus）宣传10T手机仅需19分钟可从1%充电到100%，部分原因在于更智能的充电算法以及更高效的热管理。除了这种快速充电能力，一加还宣传1,600次的循环寿命超越了LCO和消费电子电池宣传的循环寿命。虽然电池开发通常包括能量密度、循环寿命、快充和安全等关键性能特征之间的权衡，电池管理系统的改进可能会为所有这些特性带来改进。

最终，有许多种途径可以提高电池性能和成本，包括该文章中未讨论的其他方法。尽管一些开发可能只会带来增量效益，但组合将使锂离子电池性能继续稳步向前发展。

中国化学与物理电源行业协会杨柳翻译

2022.10.27