锂电池未来的发展方向是怎么样？

1，现在业界比较公认的锂电开展路线是什么？

通过研制人员和工程师的不懈努力，从铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池，走到磷酸铁锂电池，再到现在主流的三元电池，每一次的进步，都是一代人的努力，根据进步锂电池的安全性、能量密度、倍率功能，再结合现在电池研制现状，总结出了未来锂电池的一个开展路线。

2020年是多阳离子电极，主要以NCM、NCA复合正极资料，负极以C以及部分硅碳复合为主，能量密度大约300-350wh/kg。

2020-2025年，以全固态锂离子电池为主，金属锂负极或硅碳负极。能量密度400wh/kg，一起开发钠离子电池，钠比锂愈加廉价，但比锂离子大，且存在液态回忆。

2025年后，主要以锂硫电池-->锂金属电池-->>锂空气电池开展为主，这类电池，能量密度更高，资料的可取性也越来越便利，但现在存在较多难题，还需求继续去攻克，锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰厚，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极资料的锂硫电池，其资料理论比容量和电池理论比能量较高，分别到达1675mAh/g和2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的三元电池。

并且硫是一种对环境友好的元素，对环境根本没有污染，是一种十分有远景的锂电池；锂金属电池，用锂金属箔来取代石墨，它能够包容更多的离子，但一般锂金属箔与电解质会发生不良反响，然后导致电解质过热，乃至导致燃烧，这一技能能将当前锂电池的体积缩小一半，从理论上来说，假如电池体积不变，在搭载锂金属电池的情况下，电动汽车的续航里程将进步一倍；锂空气电池，是一种用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反响物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极(以多孔碳为主)很轻，且氧气从环境中获取而不必保存在电池里，理论上，因为氧气作为阴极反响物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能为5.21kWh/kg(包含氧气质量)，或11.4kWh/kg(不包含氧气)。

2，能量载体根本要求有哪些？

（1）原子相对质量要小；

（2）得失电子能力要强；

（3）电子搬运比例要高。

3，电池的主要指标有哪些？

（1）容量；

（2）能量密度；

（3）充放电倍率；

（4）电压；

（5）寿数；

（6）内阻；

（7）自放电；

（8）工作温度规划。

4，正极资料（LFP、NCM、LiCo等）特性有哪些？

（1）较高的氧化复原反响电位，高输出电压；

（2）锂元素含量高，能量密度高；

（3）化学反响中结构安稳；

（4）电导率高；

（5）化学安稳性和热安稳性好，不易分化和反响；

（6）价格便宜；

（7）制造工艺相对简略，合适大规划出产；

（8）对环境友好，污染低。

5，负极资料（Li、C、AL、钛酸锂等）特性有哪些？

（1）层状结构或者地道结构，利于脱嵌；

（2）结构安稳，杰出的充放电可逆性和循环功能；

（3）锂离子尽可能多的刺进和脱嵌；

（4）氧化复原电位低；

（5）初次不可逆放电容量低；

（6）与电解质溶剂相容性较好；

（7）价格低廉，资料易得；

（8）安全性好；

（9）环境友好。

6，进步电池能量密度的途径一般有哪些？

（1）进步正负极活性物质占比；

（2）进步正负极资料的比容量（克容量）；

（3）减重减肥。

7，怎么进步锂离子电池的充放电倍率？

（1）进步正负极的锂离子分散能力；

（2）进步电解质的离子电导率；

（3）下降电池内阻（欧姆内阻和极化内阻）。

8，哪些因素影响锂离子电池的循环寿数？

（1）负极金属锂沉积；

（2）正极资料的分化；

（3）SEI的构成和再次耗费；

（4）电解质的影响，主要表现在：总量削减，有杂质存在，水进入；

（5）隔阂堵塞或破坏；

（6）正负极资料脱落；

（7）外部使用因素。

9，锂离子电池内部资料反响分化温度？

（1）SEI膜分化，电解液放热反响，130℃；

（2）电解质分化，产热，130℃-250℃；

（3）正极资料分化发生很多气体和氧，180℃-500℃；

（4）粘结剂和负极活性物质的反响，240℃-290℃。

一般因为过充、大倍率放电、内部短路、外部短路、振荡、磕碰、下跌、冲击等构成短路，发生很多热和气体的一个进程。

10，未来最具潜力的几种锂电池资料

（1）硅碳复合负极资料，能量密度高，产业化400wh/kg以上，但体积胀大严重，循环差；

（2）钛酸锂，循环10000次以上，体积改变＜1%，不构成枝晶，安稳性极好，可快速充电，但价格高，能量密度低，约170wh/kg；

（3）石墨烯，可用于负极资料和正极添加剂，导电性极好，离子传输快，首效差，约65%，循环差，价格高；

（4）富锂锰基电池，能量密度约900wh/kg，原资料丰厚，但首效低，安全和循环差，倍率功能偏低；

（5）NCM三元资料，一般在250wh/kg，配上硅碳负极，约在350wh/kg；

（6）CNTs，碳纳米管，导电功能优越，优异的热传导性；

（7）涂覆隔阂，基膜+PVDF+勃姆石，进步隔阂耐缩短性、热传导低，避免全部热失控；

（8）高电压电解液，这个就不必说了，跟着能量资料能量密度，电压也相应进步；

（9）水性粘结剂，出于环境保护和健康。

预锂化，讲这个之前，先给咱们讲一下，半电池（正极为正极资料，负极为金属锂片）和全电池的首效问题。

这是钴酸锂半电池首效，不理解全电池和半电池不要紧，你就理解成这是正极资料的首效。

从上图咱们能够看出，半电池的初次充电容量要略高于初次放电容量，也便是说，充电时从正极脱嵌的锂离子，并没有100%在放电时回到正极。而初次放电容量/初次充电容量，便是这个半电池的初次功率。

磷酸铁锂正极半电池首效

三元正极半电池首效

从上面几张图能够看出，三元的初次功率是最低的，一般为85~88%；钴酸锂次之，一般是94~96%；磷酸铁锂比钴酸锂略高一点，为95%~97%。正极资料的首效主要是因为发生脱嵌后，正极资料结构发生改变，没有满足的嵌锂方位，锂离子无法在初次放电时全部回来。

石墨负极半电池首效

石墨电池半电池和正极不一样的是，石墨做正极，金属锂片做负极，故而先放电，而石墨的首效明显低于正极资料的首效，主要原因便是锂离子穿过电解质，会在石墨表面构成SEI膜，耗费了很多锂离子。而为了SEI膜献身的锂离子则无法回到负极。

全电池初次功率，从电池注液后，需求通过化成（仅充电）和分容这（有充放电）的工序，一般而言，化成以及分容第一步都是充电进程，二者容量加和，便是全电池初次充入容量；分容工步的第二步一般是从满电状态放电至空电，因此此步容量为全电池的放电容量。将二者结合起来，就得到了全电池初次功率的算法：

全电池初次功率=分容第二步放电容量/（化成充入容量+分容第一步充入容量）

日常中一般为了削减误差，取第2次彻底放电容量为电池容量。

综上，咱们能够得出一个定论。若电池正极使用了初次功率为88%的三元资料，而负极使用了初次功率为92%的石墨资料。对这款全电池而言，初次功率便是88%，也便是当正极首效为88%、负极首效为92%时，全电池的首效为88%，与较低的正极相等。

当然，除了电池资料影响首效，电极资料的比表面积也是一个重要的影响因素，石墨的比表面积越大，构成的SEI膜越大，需求耗费的锂离子更多，首效更低。此外还与电池的化成充电准则有关，充入合适的SOC，也会必定程度上影响电池的首效。

对全电池而言，化成时负极界面构成的SEI膜会耗费掉从正极脱嵌的锂离子，并下降电池的容量。假如咱们能够从正极资料外再寻找到一个锂源，让SEI膜的构成耗费外界锂源的锂离子，这样就能够确保正极脱嵌的锂离子不会糟蹋于化成进程，终究就能够进步全电池容量。这个供给外界锂源的进程，便是预锂化。

下面我将借用一片文章来给咱们叙述一下主要的预锂化办法，而我只见过一种，便是负极喷涂锂粉的办法。

1，负极提早化成法

咱们能够让负极独自化成，待负极构成SEI膜后再与正极安装，这样就能够避免化成对正极锂离子的损耗，并大幅进步全电池的初次功率及容量，如示意图：

在上图中，负极片与锂片被浸泡在电解液中，并有外电路连接充电。这样就能够确保化成时耗费的锂离子来源于金属锂片而非正极。待负极片化成结束后，再与正极片安装，电芯已不需求再进行化成，然后不会因为负极构成SEI膜而丢失正极的锂离子，容量也就会明显进步。

这种预锂化办法的优点是能够最大极限的模仿正常化成流程，一起确保SEI膜的构成效果与全电池附近。但是负极片的提早化成和正负极片的安装这两个工序，操作难度过大。

2，负极喷涂锂粉法

因为使用负极片独自化成补锂难以操作，因此人们想到了直接在负极极片上喷涂锂粉的补锂办法。首先要制造出一种安稳的金属锂粉末颗粒，颗粒的内层为金属锂，外层为具有杰出锂离子导通率和电子导通率的保护层。预锂化进程中，先将锂粉分散在有机溶剂中，然后将分散体喷涂在负极片上，接着将负极片上的残留有机溶剂枯燥，这样就得到了完结预锂化的负极片。后续的安装工作与正常流程一致。

化成时，喷涂在负极上的锂粉会耗费于SEI膜的构成，然后最大极限的保留从正极脱嵌的锂离子，进步全电池的容量。

下图为负极硅合金、正极钴酸锂全电池的功率比照图，能够看出在负极进行了预锂化之后，初次功率有了明显的进步：

选用这种预锂化办法的缺陷是安全性较难确保，资料及设备改造本钱较高。

3，负极三层电极法

因为设备及工艺的局限性，单纯的为了预锂化而进行高本钱的改造并非电池厂的优先选择，假如能够用电池厂熟悉的办法完结预锂化，那推行性就大幅增强了。下面所说的三层电极法，对电池厂的操作就更为简略。三层电极法的中心在于铜箔的处理，铜箔示意图如下：

与正常铜箔比较，三层电极法的铜箔被涂上了后期化成所需求的金属锂粉，为了保护锂粉不与空气反响，又涂上了一层保护层；负极则直接涂在保护层上。安装后单层电极的全体示意图如下：

当电芯完结注液后，保护层会溶解于电解液中，然后让金属锂与负极接触，化成时构成SEI膜所耗费的锂离子由金属锂粉补充。充电后的电极图示如下：这种办法对电池厂加工条件没有苛刻要求，但是保护层在极片收放卷、辊压、裁切等工位的安稳性是对电极资料研制的很大挑战，金属锂粉化成消失后负极资料粘结性的确保也颇有难度。

4，正极富锂资料法

在企业里工作的小伙伴们必定都曾殷切的体会过：即便实验室条件下能够成功的东西，挪到企业的规划化出产后也很可能困难重重。设备的改造本钱、资料的批量投入本钱、加工环境的操控本钱等都可能成为新技能无法推行的致命伤。关于锂电这一工艺、设备现已根本成熟的职业而言，企业优先选择的预锂化方案，必定会是一个不必做太多现场改动、乃至拿过来就能直接推行的办法。而正极富锂资料法，刚好满足了电池厂这一方面的需求。

所谓正极富锂法，能够简略理解为，有这么一种资料，在化成的时分，她的正极开释出的锂离子个数，是现在所用的资料所能开释的锂离子个数的好几倍。当负极首效低于正极时，化成时就会有太多的锂离子损耗于负极，构成放电后正极有用空间无法被锂离子欠满，构成正极嵌锂空间的糟蹋。假如在正极中参加少量的高克容量富锂化资料，这样既能够为化成时SEI膜的构成供给更多的锂离子，也不必忧虑放电时富锂化资料无法再次嵌锂（因为化成时现已将富锂资料供给的锂离子全部耗费）。

上面所述的各种预锂化办法，针对的都是负极首效低于正极的全电池，全电池预锂化后，初次功率最高也只能到达正极资料半电池的水平。而关于正极首效更低的电池而言，上面的办法则根本力不从心，原因是此刻全电池的首效受限于正极充电后不再有满足的嵌锂空间，即便外界补锂，也无法嵌入正极，因此没有效果。