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1、未来8年，锂电池面临的挑战与课题2020年以前，新能源汽车的动力形式还是以包括插电混合动力在内的混合动力汽车为主。即便如此，为 之配套的锂离子电池仍然面临许多严峻的技术挑战和亟待解的课题顾建国日本政府2009年5月公布的新时期汽车普及战略中，2020年包括插电式混合动力在内的混合动 力汽车，可以占到整个汽车市场份额的29%,而纯电动汽车则只占其中的10%。日本瑞穗银行2011年10 月31日发布的调查与研究报告显示，中国到2020年，包括插电式混合动力在内的混合动力汽车，可以占 到整个汽车市场份额的13%,而纯电动汽车则只占其中的2%。所以，本文确立的锂离子电池性能，是基于混合动力（HEV）和
2、插电式混合动力（PHEV）汽车的的技 术需求。这里提出的技术挑战是，以后这8年的时间里，PHEV要真正实现一次充电后的纯电续驶能力达到 60km的话，就必须研制与现在锂电池有所不同的负极材料；锂电池所需的正极材料也需要更加实用化。一、高容量的负极材料在锂电池负极材料开发领域，对于比石墨和炭元素为主的非金属固体材料更具超大比容量的金属负极 材料的研究，将再次活跃起来（图1）。最初，金属氧化物或者合金系列的负极材料，应该可以解决金属负极在充电时锂枝晶析出问题。这个 课题比石墨和炭元素为主的负极材料出现的更早，在上世纪80年代初就积极地展开了系统研究。0.505001 0001 5002 0002
3、5003 0003 5004 0004 50010 000 Wh. kg/ 16 000 Wh/LiAlLiQ CDILi /12 (XX) Wli/kg14 000 Wh/kgLiSn f,、八Li3Sb Sb2 000 Wh/kg :4 (XX) Wh/kg /；6 (XX) Wh/kg,8 000 Wh/kg(F、mgA)扫H 安 A().01.0*景mAh, g) bloggin孔coiTLcn/jianguogu图1石墨或金属负极的比容量和平均放电电位（图中的能量密度等高线，是假设和平均放电电位4V组合的负极单体的能量密度）但是，这种金属系的负极材料，在锂嵌入与迁出过程中，体积会变得
4、非常大（图2） o在微粉化过程 中，其循环寿命变得非常短。（本文原载第1电动（月刊）图2石墨或金属负极的各个Li嵌入组成中，与嵌入前的体积比可是，要实现既定的“先进性电池目标（见附注）”，理所当然地少不了锡、硅金属元素系列的合金 型负极材料，这己经被业内有识之士所认知。并且，由于纳米技术及其材料的导入，已经诞生了几个值得 业界关注的关于电池长寿命的成果。比如：锡元素系列的钻、铁金属材料，银及其合金材料，有机硅金属 元素系列的Si/C复合材料以及薄膜化材料等，都得到了积极应用。应当特别指出的是，有机硅金属系列的负极材料，不仅是金属负极材料中比容量最大的，而且在电极 电位中，比石墨碳元素负极材料的
5、电极电位互换性更高，并且因此而受到特别关注。用溅射法在集流体上直接形成多孔质薄膜电极，不仅解决了电极化的问题，同时还可避免由于体积变 化所导致的构造破坏等技术难题。近儿年来，这些成功实例及其报告，已经得到行业的证实。即：通过与石墨碳元素负极的复合化，来 实现硅金属元素负极材料的实用化。二、高容量的正极材料对于锂电池的正极材料，就缺乏像负极那样具有很大潜力的可替代材料。特别是与石墨碳元素、硅金 属元素那些不含锂离子的负极材料相对应，对含有锂化合物（图3）为中心的高性能正极材料的研究正在 进行中。但是，与LiCoO?相比较，能够提高比容量的值得期待的材料，现在还没有被发现。5.04.54.03.5
6、3.02.52.0W/POiF?LiNiVOt oA LiCoPO,&LiCoPO 如:LiMn15NW)4! i ,OLig ： LiCrMnOi LiMn?(),., LiMnPOt, LiNL 3、1山 3C01 Q? a q CLiNi 3Mn12O2-LiNiusCon?。? sLiNi()；i CM LiCoO2；LiCVO : LirFe2(SO4)3 LiFePOt4()0 Wh kg200 Wh/kgXLLJ/SiOJ1 000 Wh/kg 、 I ,800 Wh/kg600 Wh/kg 3 500Wh/kg0501001502002503001 600 1 650 1 70
7、01捉3 gw k b）og.siri8LCorrLcn/jicifigu9gu图3各种正极材料的比容量和平均放电电位（图中的能源密度等高线是假设和Li金属负极组合的正极单体的能量密度,”2岬0小和LiMSiOi是理论的潜在值）在这里，LiNiO2拥有可逆性较高的锂离子的植入、放出量多的特性，被定位于高能源密度型的正极材料。可是，正如表中所列的那样，解决实用化的课题在目前看来并不容易。典型的实用型正极材料和次世代正极材料的特征民用领域的应用概况正极材料车载用的开发状况概况特长/课题尚未开发研究受成本和资源的制约尚未实用LiNiO2而临课题过多成本低，高容量/特性易受水分而变化,高SOC 中的安
8、全性问题实用LiNio.8Coo.2O2研究中最适合改良型蓄电池在实用阶段的候补材料/ 与电解液的反应性差实用LiMn2O4研究中成本低，安全性高/能量密度下降，高温(高SOC)中容量不稳定实用LiNii/3Mni/3CO|/3O2研究中高容量/由于是高电压型正极，因与电解液的反应受到抑制实用LiFePO4在美国和中国得到应用低成本，长寿命，安全性高/能量密度低次世代Li2Mn()3-LiMO2 系列期待值高低成本，高容量/循环寿命短，低温环境容量 下降次世代S若要形成电池体系，需 要加大基础研究低成本，高容量/向电解液溶出，电子传导性作为比容量较高的化合物，尝试利用拥有层状结品构造的镒酸化物
9、LiMnO2正极材料。因为单独的LiMnO2是不进行锂的植入放出的非活性化合物，所以需要与活性化合物LiMO2 (M = Ni, Co, Mn)或者 非活性化合物LiFeO2结合而形成的固液体，使锂的植入放出具有活性，并以呈现出2503()()mAh/g的高 容量而受到关注。三、聚阴离子正极材料近几年，除了酸化物以外，也在尝试着对拥有高能量密度型的正极材料磷酸盐或者硅酸盐正极材 料的研发，被统称为聚阴离子系列材料。在磷酸盐材料中，有橄榄石结构的LiFePO4己经进入实际应用阶段。但是，由于LiFePO4的放电电位 只达到约3.4V的低值，加上己经实现了接近理论值(170mAh/g)的容量，在提
10、高能里量密度方面已经不 值得期待。同样橄榄石型正极当中（图3）,取代铁、镐、镣的聚阴离子层状正极材料LiMnP04或者LiNiPO4的理论容量虽然没有变化，但是平均放电电压可以达到4.0V4.8V的高值。与LiFePO4相比，大约能提高20%50%的能量密度，而受到关注与期待。多方面的力量正在积极进行相关研究。但是，由于LiMnPO4的电气传导度非常低，尚不具备像LiNiPO4那样能在高电极电位中稳定活动的有 机电解液等，故作为车载电池的实用化还有很多问题要解决。其他的化合物中的Li2MnO3也是一样，对于金属元素，由2个锂构成的硅酸盐系列（Li2MSiO4）或 者UMPO4F系列等，如果能够
11、实现所拥有锂的脱离和植入，所具有的330mAh/g、290mAh/g的理论容量 是值得研究和期待的。目前，各种各样的研讨都在进行中。但是，关于金属元素中1个锂的可逆性，即： 脱离、植入是值得期待和今后亟待解决的问题。四、先进型锂电池的耐用性课题综上所述，不管是正极材料还是负极材料，如果能够使现有锂离子电池实现超大容量，艮IJ：能量密度 达到200Wh/kg的话，就将是一个令人瞩目的技术进步。可是，由于能够提高锂电池能量的元素循环寿命短，甚至在小型民用领域的应用尚未成熟。而车载电 池的性能要求又是小型民用电池的35倍以上，并且要求其耐用性大约为10年。显然，这个使用寿命要 求是同样是一个难以逾越的技术障碍。
