十大锂离子电池新材料介绍

1、镍钴锰三元资料

从方针角度看，方针推进职业晋级，三元道路最有远景：1、方针要求到2020年动力锂电池单体比能量超过300Wh/kg，系统比能量力争到达260Wh/kg，到2025年，单体比能量达500Wh/kg；2、新的财政补助计划正式施行，规则乘用车能量密度高于120Wh/kg的按1.1倍给予补助，能量密度成为补助数额的重要考量根据；3、积分制对电耗和续航路程不同的车型选用不同积分，纯电乘用车与燃料动力电池乘用车的积分均随续航路程的不同而有所差别。现在来看，三元资料作为性价比高、最有潜力到达商场需求与方针要求的技能道路具有很大的开展远景。

从商场角度看，国内动力锂电池道路曾以磷酸铁锂为主，磷酸铁锂尽管安全性高，但其能量密度偏低软肋无法战胜，而新动力轿车要求更长的续航路程。因而长时间来看，克容量更高的镍钴锰三元资料资料将取代磷酸铁锂成为下一代干流技能道路。加上特斯拉火爆全球的布景下，商场上很多电池厂商也加速布局三元资料，如格林美、科恒股份、天原集团等。

格林美在2017年十一月公布通告称，为构建具有世界竞争力的从三元质料到三元资料的全工业链制造系统，荆门格林美与邦普循环、长江晨道、宁波超兴，一致同意一起出资成立合营公司，并于2017年十一月六日签署了《合资经营协议书》。

2017年七月，科恒股份在英德投建的3000吨/年三元资料基地正式开工，现在现已完成满产，可完成产值300吨/月，产品均为动力523和622型三元资料；一起江门基地可完成500吨/月的产值，估计两个基地可为科恒股份带来800吨/月的锂电正极资料产值。

2017年四月，宜宾天原集团股份有限公司与国光电器股份有限公司签订了战略协作结构协议，两边拟经过股权出资等多种办法的协作，在宜宾出资建造三元正极资料前驱体项目和三元正极资料项意图协作。

修改角度

在方针和商场双重效果下，推进了三元锂电的大开展。长时间来看新动力轿车从1到10的开展，处于最佳成长时间。从方针看，方针助力推进新动力轿车开展。现在补助退坡趋势紧逼，一起新动力轿车积分办法即将落地，能量密度成为取得补助具体数额以及取得新动力乘用车积分的重要考量根据。从商场角度看，商场对续航路程高的轿车需求加大，且工业开展到当下阶段，需求技能进步和更高质量来推进职业晋级。

2、高镍三元资料

前文介绍到的三元资料镍钴锰，他们具有高比容量、长循环寿数、低毒和廉价的特色，此外，三种元素之间具有杰出的协同效应，因而受到了广泛的运用。用于锂离子电池正极资料，在氧化复原储能中，镍是首要的成分，经过进步资猜中镍的含量以有用进步资料的比容量，是三元资料再往前跨进的要害问题。因而，将高镍三元资料独自出来进行详细分析。

一般来说，高镍的三元正极资料是指资猜中镍的摩尔分数大于0.6的资料，这样的三元资料具有高比容量和低本钱的特色，但也存在容量坚持率低，热安稳功用差等缺点。

经过制备工艺的改进能够有用改进资料功用。颗粒的微纳尺寸以及描摹结构，在很大程度上决定着高镍三元正极资料的功用。因而现在首要的制备办法是将将不同质料均匀分散，经过不同生长机制，得到比外表积大的纳米球形颗粒。

在高镍三元资料方面投入的公司有BSAF、CATL、国轩高科、力神等大型动力锂电池公司。BSAF经过添加Ni含量以及进步充电的截止电压都能到达进步电池能量密度的意图。

而2017年以来上游的原资料公司也有大规模布局：

2017年一月，厦门钨业由全资子公司厦钨新动力与闽东电力合资成立宁德厦钨新动力，一起出资建造年产2万吨的车用电池三元资料出产线，首要出产销售高镍三元资料。

2017年三月，当升科技在承受出资机构调研时表示，公司2017年计划新增4000吨的高镍动力多元资料产量。现在高镍动力资料NCM811现已完成中试阶段，2018年完成量产。

2017年三月十六日，杉杉动力年产5000吨三元811交钥匙工程产线建造在宁夏石嘴山基地全面启动。杉杉动力表示，在成功完成三元622量产的一起，811、NCA及部分高镍资料也根本完成中试评估，具备了工业化的必要条件。

修改角度

众所周知，三元正极资料的高镍低钴化在进步电池能量密度、下降资料本钱等方面具有显着优势，但安全性和安稳性问题却较为突出。三元资猜中的镍含量越高，资料的安稳性越差，安全性越差。而为了在坚持其高比能量的一起，兼顾循环寿数和安全性，国内资料和电池公司可谓是苦心孤诣，其安全问题仍在继续处理中。现在，高镍三元资料的安全性首要经过资料改性优化、外表包覆、调整电解液和负极资料等办法来逐步处理。信任，这问题跟着时间推移，研讨深化，终将处理，因而，小编看好高镍三元资料的未来远景。

3、富锂锰基资料

高容量是锂离子电池的开展方向之一，但当时的正极资猜中磷酸铁锂的能量密度为580Wh/kg，镍钴锰酸锂的能量密度为750Wh/kg，富锂锰基的理论能量密度可到达900Wh/kg，未来潜力很大。

富锂锰基作为正极资料的优势有：1、能量密度高；2、首要原资料丰厚。尽管富锂锰基正极资料具有放电比容量的绝对优势，但要将其实践运用于动力锂离子电池，有必要处理以下几个要害科学和技能问题：一是下降初次不可逆容量损失；二是进步倍率功用和循环寿数；三是按捺循环过程的电压衰减。

在国内，工业化的技能壁垒太高，因而公司对富锂锰基的研讨几乎没有。只要相关科研机构在做些测验。宁波资料所动力锂离子电池工程实验室的研讨团队多年来一向致力于富锂锰基正极资料的研讨开发，在制备办法、组分优化、充放电机理和外表改性等方面做了系列有意义的研讨作业。

此前，该研讨团队开展了一种新颖的气固界面改性办法，让富锂锰基正极资料颗粒外表构成均匀氧空位，然后大大进步了该资料的初次充放电功率、放电比容量和循环安稳性。

现在处理这些问题的手法有包覆、酸处理、掺杂、预循环、热处理等。富锂锰基尽管克容量优势显着，潜力巨大，但现在限于技能进展较慢，完成工业化仍有更长的路要走。

修改角度

在锂离子电池方面，一个新资料的呈现走向实践工业化运用过程中，充溢了无数艰辛和微小的技能进步积累。经过十几年或许几十年的量变积累，终究才能完成质的打破。对现有资料的进一步改进和新资料的探究，仍然是锂电正极资料研制的根本方向。富锂锰基正极资料的呈现，让人们了解到了比三元资料理论能量密度更高的存在。不过，就像当初刚出来不久的三元资料相同，富锂锰基正极资料还在科研探究阶段，但它仍是值得等待的新资料之一。

4、硅碳复合负极资料

硅在常温下可与锂合金化，生成Li15Si4相，理论比容量高达3572mAh/g，远高于商业化石墨理论比容量(372mAh/g)，在地壳元素中储量丰厚高达26.4%，因而硅负极资料一向备受重视，是十分值得等待的下一代锂离子电池负极资料之一。

然而，硅在充放电过程中存在高达3倍的体积胀大，严峻的体积效应及较低的电导率约束了硅负极技能的商业化运用。为战胜这些缺点，研讨者们选用复合化技能，运用缓冲骨架补偿资料胀大。

碳质负极资料在充放电过程中体积改变较小，具有较好的循环安稳功用，并且碳质负极资料本身是离子与电子的混合导体；另外，硅与碳化学性质附近，二者能紧密结合，因而碳常用作与硅复合的首选基质。

在硅碳复合系统中，硅颗粒作为活性物质，供给储锂容量；碳既能缓冲充放电过程中硅负极的体积改变，又能改进硅质资料的导电性，还能防止硅颗粒在充放电循环中发作聚会。因而硅碳复合资料综合了二者的长处，表现出高比容量和较长循环寿数，有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极资料。

从硅碳复合资料的结构动身，可将现在研讨的硅碳复合资料分为包覆结构和嵌入结构。

从碳资料的种类选择动身，能够分为石墨、碳纳米管/纳米纤维、石墨烯等。碳纳米管/纳米纤维(CNT/CNF)得益于其高长宽比的优势，与硅复合后，运用其导电性及网络结构能够构建接连的电子传递网络，缓解循环过程中硅的体积改变，按捺颗粒聚会，然后进步硅基负极资料的电化学功用。石墨烯有优异的导电性、高比外表积和杰出的柔韧性等特色。

近年来，硅碳负极资料相关技能开展迅速，迄今已有少数产品完成实用化，日本日立集团Maxell公司已开宣布一种以SiO-C资料为负极的新式锂离子电池，并成功地运用到诸如智能手机等商业化产品中。

而国内负极资料公司研制硅基资料的情况是：大部分资料商都还处于研制阶段，现在只要上海杉杉已进入中试量产阶段。

修改角度

硅是现在发现的理论比容量最高的负极资料，但它本身的缺点也约束了它直接的运用，资料基础研讨的好处就在于能够测验不同的资料与其匹配。碳族元素材质的多样化选择为硅的研讨取得打破。硅碳负极复合资料或将完成硅的第一个吃螃蟹。尽管硅碳负极锂离子电池距离真正大规模商业化运用仍有大量科学问题亟需处理，但惊人的理论比容量和丰厚的储量，吸引了许多公司的眼球，十分值得人们等待。

5、石墨烯

石墨烯自2010年取得诺奖以来，广受全球尤其是我国的重视，国内一度掀起石墨烯研制热潮。石墨烯具有单层原子厚度的二维结构，结构安稳，电导率可达1×106S/m。石墨烯用于锂离子电池中具有以下长处：1、导电和导热性好，有助于进步电池的倍率功用和安全性；2、相关于石墨，石墨烯储锂空间多，能够进步电池的能量密度；3、颗粒尺度为微纳米量级，锂离子的分散途径短，有利于进步电池的功率功用。作为正负极添加剂，可进步锂离子电池的安稳性、延伸循环寿数、添加内部导电功用。

现在石墨烯在电池上的研讨首要有：

JAN课题组运用研磨办法，首先将石墨烯和811型三元资料混合，然后50℃环境下搅拌8h，再经过干燥，得到石墨烯/811复合资料。因为石墨烯的改性效果，正极资料的容量、循环安稳性以及倍率功用都具有显着的进步。

WANG在沉淀法制备三元前体时加入石墨烯，片层结构石墨烯的加入其空腔结构下降了一次颗粒的聚会，缓解外压然后削减二次颗粒碾压的破碎，石墨烯的三维导电网络进步了资料高倍率性和循环功用。

2017年十二月，三星电子宣传其研讨部分三星先进技能研讨院（SAIT）宣布成功开宣布一种石墨烯球。根据描述，这是一种共同的电池资料，其容量添加了45%，充电速度比标准锂离子电池快5倍（充溢电仅需12分钟），堪称电池职业一大路程碑。三星表示，他们的研讨供给了下一代二次电池商场的承诺，特别是在电动轿车和移动设备方面。

修改角度

石墨烯资料是石墨烯工业的柱石，但今天的石墨烯资料尚不足以支撑起未来的石墨烯工业，需求继续不断地进步石墨烯资料的质量，一起也面对着标准纷歧、商场不标准等问题。鉴于石墨烯当时的批量出产工艺不成熟、价格高昂、功用不安稳等，现在石墨烯首要作为正负极添加剂掺杂在锂离子电池中运用。尽管工业化之路仍漫长而崎岖，但人们普遍对石墨烯进入锂电职业生活充溢等待。

6、碳纳米管

碳纳米管是一种石墨化结构的碳资料，本身具有优秀的导电功用，一起因为其脱嵌锂时深度小、行程短，作为负极资料在大倍率充放电时极化效果较小，可进步电池的大倍率充放电功用。但碳纳米管直接作为锂离子电池负极资料时，会存在不可逆容量高、电压滞后及放电渠道不显着等问题。如Ng等选用简单的过滤制备了单壁碳纳米管，将其直接作为负极资料，其初次放电容量为1700mAh/g，可逆容量仅为400mAh/g。

碳纳米管在负极中的另一个运用是与其他负极资料（石墨类、钛酸锂、锡基、硅基等）复合，运用其共同的中空结构、高导电性及大比外表积等长处作为载体改进其他负极资料的电功用。

据悉，由北京天奈科技有限公司、天奈资料科技有限公司等单位起草的锂离子电池用碳纳米管导电浆料标准已于2017年五月31号公布，主管单位为我国科学院，归口单位为全国纳米技能标准化技能委员会。本标准于2017年十二月一日起正式开端施行。

长久以来，锂离子电池为寻求能量密度进步，运用碳纳米管作为高功用导电添加剂逐步成为干流。跟着职业的成长，有序标准日渐重要。天奈科技作为碳纳米管与石墨烯导电浆料的领导厂商之一，积极参与国家标准制定，帮忙工业正常有序开展。

该标准的制定公布为世界上首开先河，率先于各国在纳米工业上进行标准，有助我国在世界纳米工业上标准制定，并起到引领效果。天奈科技作为碳纳米管与石墨烯最大的供应商，期望能帮忙政府在此发挥影响力，让我国的先进纳米工业在世界上能占有一席之地。

修改角度

尽管对碳纳米管进行了多年的研讨，可是近年来对碳纳米管嵌锂和循环功用的研讨并没有使得碳纳米管在容量或许倍率功用方面与传统石墨资料或许碳微球相比有显着的优势。碳纳米管在实践运用中仍然存在不可逆容量大，电压范围宽以及电压滞后显着的问题。一起因为本钱方面的问题，碳纳米管离实践运用仍然会有很长的路要走，可是作为一种导电剂添加，进步电极的导电性，下降电池极化，现已在实践出产中取得运用。

7、涂覆隔阂

隔阂的各个功用目标是彼此制约，彼此影响的，一切隔阂厂家都在找其间的最优的组合，并不存在一切目标都最优的隔阂，所以需求在电功用、安全功用以及规模化出产的综合评判目标中找出平衡点。因为传统的隔阂越做越薄，因而需求在隔阂上涂胶或许图陶瓷来满意热安稳性以及抗拉强度的需求。

隔阂对锂离子电池的安全性至关重要，这要求隔阂具有杰出的电化学和热安稳性，以及反复充放电过程中对电解液坚持高度浸润性。

涂覆隔阂是指在基膜上涂布PVDF等胶黏剂或陶瓷氧化铝。涂覆隔阂可进步隔阂耐热缩短性，防止隔阂缩短构成大面积短路；此外，涂覆资料热传导率低，可防止电池中的某些热失控点扩大构成整体热失控。

关于隔阂的未来开展，跟着技能水平的进步，隔阂逐步由微孔向无孔过渡。现在研讨道路有：

1、经过热压法制备的三明治结构的无纺布复合隔阂，显着改进了陶瓷层的掉落、改进电池的自放电等功用。

2、经过静电纺丝法制备的PI纳米纤维膜，不近改进了隔阂本身的机械强度，也在吸收电解液以及离子电导率方面也有了显着改进。

3、三明治结构的PI－PVDF－PI纳米纤维隔阂，在160℃是PVDF熔化，堵塞PI的微孔，然后完成了闭孔的功用，显着改进了电池的安全功用。

修改角度

作为锂离子电池四大主材之一的隔阂，它的存在直接影响着电池的安全性，它的孔隙率、厚度、吸液性、静电值直接影响着电池的电功用。而跟着锂离子电池能量密度的逐年进步，非活性物质的量也是越来越少，隔阂也越来越薄，这将给锂离子电池的安全性带来极大的应战。从锂电未来开展的趋势看，涂覆隔阂和现在的锂离子电池技能开展是匹配的，高安全性、高安稳性的隔阂将是未来七八年的研讨热点。

8、陶瓷氧化铝

在涂覆隔阂中，陶瓷涂覆隔阂首要针对动力锂电池系统，因而其商场成长空间较涂胶隔阂更大，其中心资料陶瓷氧化铝的商场需求将跟着三元动力锂电池的兴起而大幅进步。

用于涂覆隔阂的陶瓷氧化铝的纯度、粒径、描摹都有很高要求，日本、韩国的产品较成熟，但价格比国产的贵一倍以上。国内现在也有多家公司在研制陶瓷氧化铝，期望逐步完成进口替换。国内陶瓷涂覆隔阂公司首要有义腾新动力和中材科技等。

义腾新动力规划陶瓷涂覆隔阂出产线6条，年产陶瓷涂覆隔阂1.8亿平方米，现已建成5条。

2017年七月，安瑞达陶瓷涂覆隔阂开端运用商场，产品选用高纯度质料，确保电池不引入杂质离子的一起，选用特别憎水性胶黏剂，对电池安装过程中的水分进行操控。该产品基材具有安稳黏附力，可确保不掉粉及产品透气性的安稳。2017年十月，安瑞达高强度单层涂覆隔阂ASC2024，ASC1614研制成功，并成功运用商场。

截止到2017年十一月，中科科技双拉干法隔阂以及干法双拉单面涂覆陶瓷隔阂销量合计近8000万平方米，完成销售收入近2亿元，在同类产品中的商场占有率达15%，商场占有率及技能水平长时间位居国内同类产品前列。

2017年十二月二十一日，中材科技泄漏，2.4亿平米新出产线(包含2条单线产量4000万平米的出产线，2条单线产量6000万平米的出产线，一起配套建造4条陶瓷涂覆出产线，产量4000万平米建造比较顺利，估计在本年一季度左右能够悉数完成。

修改角度

涂覆隔阂乃是当今隔阂运用开展的焦点地点，隔阂外表选用涂覆层优势显着。跟着三元动力锂电池逐步成为干流的动力锂电池，陶瓷涂覆隔阂将成为电池隔阂商场的新上升点。但仍需进步隔阂孔径、孔隙率、透气量等要害参数的均一性和安稳性。未来把握陶瓷涂覆隔阂前沿技能将助力公司在之后的竞争中把握主动权。

9、高电压电解液

进步电池能量密度是锂离子电池的干流趋势之一，现在进步能量密度办法首要有两种：一种是进步传统正极资料的充电截止电压，如将钴酸锂的充电电压进步至4.35V、4.4V。但靠进步充电截止电压的办法是有限的，进一步进步电压会导致钴酸锂结构坍塌，性质不安稳；另一种办法则是开发充放电渠道更高的新式正极资料，如富锂锰基、三元资料等。

尽管高电压锂离子电池正极资料越来越受到重视，可是在实践出产运用中，这些高压正极资料仍无法到达杰出的效果。最大的约束要素是，碳酸酯基电解液电化学安稳窗口低，当电池电压到达4.5V左右时，电解液便开端发作剧烈的氧化分化，导致电池的嵌脱锂反响无法正常进行。开发耐受高电压的电解液系统成为推进这种新式资料实用化的重要环节。

经过开发和运用新式的高压电解液系统或许高压成膜添加剂来进步电极/电解液界面的安稳性是研制高电压型电解液的有用途径，从经济角度来说，后者往往更受青睐。这种进步电解液耐受电压才能的添加剂一般包含含硼类、有机磷类、碳酸酯类、含硫类、离子液体及其它类型添加剂。含硼类添加剂有三（三甲基烷）硼酸酶、双草酸硼酸锂、双氟草酸硼酸锂、四甲基硼酸酯、硼酸三甲酯以及三甲基环三硼氧烷等。有机磷类添加剂包含亚磷酸酯、磷酸酯类。碳酸酯类添加剂包含含氟皖基化合物。含硫添加剂包含1，3－丙磺酸内酯、二甲磺酰甲烷、三氟甲基苯硫醚等。离子液体类添加剂包含咪唑和季磷盐类。

从现已公开报导的国内外研讨来看，引入高压添加剂能够使电解液耐受4.4～4.5V的电压，然而当充电电压到达4.8V甚至5V以上，有必要开发可耐更高电压的电解液。

我国电解液工业起步晚于日本和韩国，但近年来开展势头微弱。全球电解液需求占比中，我国份额不断进步，我国本乡供应链不断强大，国内的电池公司，电解液大部分都现已完成了国产化。在以天赐资料为代表的本乡公司的尽力下，我国正在领跑全球电解液供应链，并推进动力锂电池工业不断变大变强。

修改角度

跟着人们对新动力轿车动力锂电池各项功用的要求不断进步，锂离子电池不断迭代晋级，开端步入高镍三元时代成为一个不争的事实。然而，假如电解液不能随电池资料同步晋级，高镍三元系统就很难完成其规划初衷。高镍三元时代是一个要害机遇，电解液公司可捉住这一契机，对产品进行转型晋级，进步产品技能含量，这样才能在新的竞争态势下脱颖而出。

10、锂电溶剂和粘结剂

锂电辅材本钱占比较小，可是效果重要。锂电辅材首要包含溶剂和粘结剂，溶剂首要效果是溶解正负极活性物质，而粘结剂首要效果是将活性物质粘结在集流体上，辅材用量一般为2%-5%，相比四大资料，本钱占比较小，可是效果重要。

电动轿车等大规模储能运用的高速开展对锂离子电池的功用提出了更高的要求。高功用电池系统的开展需求对每一个电池组件进行优化，包含电极资料、电解液以及粘结剂。传统锂离子电池的粘结剂系统由绝缘聚合物和导电添加剂的混合物组成。正极资料首要运用PVDF做粘结剂，用有机溶剂进行溶解。负极的粘结剂系统中有SBR、CMC、含氟烯烃聚合物等，也会用到有机溶剂。

在制备电池电极时，导电相和活性资料随机分布，通常会导致较差的电子和离子传输才能。当运用高容量电极资料时，电化学反响发生的高应力会破坏传统粘结剂系统的机械完整性，导致电池的循环寿数下降。因而，规划能够供给安稳、低阻、接连的内部通路以衔接电极的一切区域的新式粘结剂系统至关重要。

在水性粘结剂研讨方面，德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授和石烨博士，周星怡博士生根据近期发表的有关新式锂离子电池粘结剂系统的合成、运用以及机理研讨方面的作业，系统总结了高功用粘结剂系统资料与结构规划的最新进展，分析了研讨粘结剂电化学机理的模拟与表征办法。

研讨结果还展望了未来多功用电池粘结剂的合成与运用。经过分子规划以及复合资料的合成，更多的功用能够被引入电池粘结剂系统中，包含自修复功用、柔性、可拉伸功用以及环境响应性。现已有研讨证明具有自修复功用的粘结剂能有用进步电池寿数。近期，余桂华课题组开展了一起具有导电以及自修复功用的复合凝胶资料，可作为未来的多功用电池粘结剂，以进步电池功用。相同的，其他具有优异机械功用以及环境响应性的新式粘结剂可用于开展柔性电池以及可自调控的安全电池。

修改角度

高功用电池系统的开展需求对每一个电池组件进行优化，包含电极资料、电解液以及粘结剂。传统锂离子电池的粘结剂系统由绝缘聚合物和导电添加剂的混合物组成。在制备电池电极时，导电相和活性资料随机分布，通常会导致较差的电子和离子传输才能。因而，高功用的辅料对推进锂离子电池往高功用、高安全性开展而言也是必不可少的。