鉅大LARGE | 點擊量：700次 | 2021年04月19日
10大潛力材料將影響未來鋰電產業發展？
1、硅碳復合負極材料
數碼終端產品的大屏幕化、功能多樣化后，對電池的續航提出了新的要求。當前鋰離子電池材料克容量較低，不能滿足終端對電池日益上升的需求。
硅碳復合材料作為未來負極材料的一種，其理論克容量約為4200mAh/g,比石墨類負極的372mAh/g高出了10倍有余。其產業化后，將大大提升電池的容量。目前各大材料廠商紛紛在研發硅碳復合材料，如BTR、杉杉、紫宸、星城等。從專利來看，截至日前，我國硅碳復合材料的專利共269項，其中2012-2014年共186項，占比69%。
現在硅碳復合材料存在的重要問題有：1、充放電時，體積膨脹，吸液能力強；2、循環壽命差。目前正在通過包覆、摻雜等手段解決以上問題，且部分公司已經取得了一定進展。
2、鈦酸鋰
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
近年來，國內對鈦酸鋰的研發熱情較高，申請的專利逐年攀升。截至日前，國內共729項鈦酸鋰發明專利，其中2012-2014年共477項，占比為65%。
鈦酸鋰的優勢重要有：1、循環壽命長(可達10000次以上)，屬于零應變材料(體積變化小于1%)，不生成傳統意義的SEI膜；2、安全性高。其插鋰電位高，不生成枝晶，且在充放電時，熱穩定性極高；3、可快速充電。
目前限制鈦酸鋰使用的重要因素是價格太高，當前的均價為11-16萬元/噸，高于傳統石墨。今年國家將鈦酸鋰大巴的補貼從50萬/輛下調至15萬元/輛，這進一步限制鈦酸鋰的推廣應用進程。另外鈦酸鋰的克容量很低，為170mAh/g左右。
只有通過改善生產工藝，降低制作成本后，鈦酸鋰的長循環壽命、快充等優勢才能發揮用途。結合市場及技術，鈦酸鋰比較適合用于對空間沒有要求的大巴和儲能領域。
3、石墨烯
石墨烯自2010年獲得諾獎以來，廣受全球關注，特別在我國。從2010年以來，國內掀起了一股石墨烯研發熱潮，在2010-2014年間國內石墨烯相關發明專利直線飆升，截至日前國內申請石墨烯相關專利為7426項，居全球之首。
石墨烯引發熱潮，是因為其諸多優良性能，如透光性好，導電性能優異、導熱性較高，機械強度高。石墨烯在鋰離子電池中的潛在應用有：1、作負極材料。石墨烯的克容量較高，可逆容量約700mAh/g,高于石墨類負極的容量。
另外，石墨烯良好的導熱性能確保其在電池體系中的穩定性，且石墨烯片層間距大于石墨，使鋰離子在石墨烯片層間擴散通暢，有利于提高電池功率性能。
由于石墨烯的生產工藝不成熟，結構欠穩定，導致石墨烯作為負極材料仍存在一定問題，如首次放電效率較低，約65%；循環性能較差；價格較高，明顯高于傳統石墨負極。
2、作為正負極添加劑，可提高鋰離子電池的穩定性、延長循環壽命、新增內部導電性能。
鑒于石墨烯當前的批量生產工藝不成熟、價格高昂、性能不穩定，石墨烯將率先作為正負極添加劑在鋰離子電池中使用。
4、富鋰錳基正極材料
高容量是鋰離子電池的發展方向之一，但當前的正極材料中磷酸鐵鋰的能量密度為580Wh/kg,鎳鈷錳酸鋰的能量密度為750Wh/kg，都偏低。富鋰錳基的理論能量密度可達到900Wh/kg，成為研發熱點。截至日前，國內富鋰錳基發明專利66篇，絕大多數在2012-2014年間申請。
富鋰錳基作為正極材料的優勢有：1、能量密度高；2、重要原材料豐富。由于開發時間較短，目前富鋰錳基存在一系列問題：1、首次放電效率很低；2、材料在循環過程析氧，帶來安全隱患；3、循環壽命很差；4、倍率性能偏低。
目前解決這些問題的手段有包覆、酸處理、摻雜、預循環、熱處理等。富鋰錳基雖然克容量優勢明顯，潛力巨大，但限于技術進展較慢，其大批量上市還需時間。
5、動力型鎳鈷錳酸鋰材料
一直以來，動力鋰電池的路線存在很大爭議，因此磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料等路線都有被采用。國內動力鋰電池路線以磷酸鐵鋰為主，但隨著特斯拉火爆全球，其使用的三元材料路線引起了一股熱潮。
磷酸鐵鋰雖然安全性高，但其能量密度偏低軟肋無法克服，而新能源汽車要求更長的續航里程，因此長期來看，克容量更高的材料將取代磷酸鐵鋰成為下一代主流技術路線。
從目前的工業水平及技術進度來看，鎳鈷錳酸鋰三元材料最有可能成為國內下一代動力鋰電池主流材料。今年以來，國內陸續推出三元路線的電動汽車，如北汽E150EV、江淮IEV4、奇瑞EQ等，單位重量密度較磷酸鐵鋰離子電池有很大提升。
隨著三元動力電動汽車在國內逐漸形成銷量，動力三元材料銷量將大增，其總需求量在明年有望超過鈷酸鋰的需求量。
6、碳納米管
碳納米管不屬于新東西，其之前作為儲氫材料被廣泛研究，但其用在鋰離子電池內的時間卻較晚。2009年就有碳納米管出售，由于價格太高，幾乎無人問津。如今隨著工藝改進，成本下降，及鋰電內部體系的更高要求，碳納米管逐漸被電芯公司認可。
如今鋰離子電池的容量和功率越來越高，碳納米管的優異性能派上用場。碳納米管作為鋰離子電池導電劑的優勢有：1、導電性能優異，其電阻率為2-6*10-4?.cm；2、具有100:1左右的長徑比，在導電網絡中充當導線；3、機械強度和力學性能優異，能有效地增強活性材料的韌性和抗應變能力，從而提高電極的循環壽命；4、優異的熱傳導性，碳納米管室溫下的熱傳導性可達到6000w/m/k,能有效傳遞電池充放電時集聚的熱量，特別是高倍率情形下。
隨著高容量和高倍率電芯的興起，碳納米管將獲得廣泛的應用。
7、涂覆隔膜
鋰離子電池的發展趨勢是高容量、高倍率，在性能不斷提高的同時，對安全性也提出了新的要求。隔膜對鋰離子電池的安全性至關重要，這要求隔膜具有良好的電化學和熱穩定性，以及反復充放電過程中對電解液保持高度浸潤性。目前的隔膜是聚乙烯和聚丙烯材質，這兩類隔膜的熔點分別為130℃和150℃，它們在較高溫度時容易收縮或熔融，引起正極和負極之間的直接接觸，導致短路，從而導致如電池爆炸類意外事故。
因此涂覆隔膜應運而生，涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等膠黏劑或陶瓷氧化鋁。涂覆隔膜的用途是：1、提高隔膜耐熱收縮性，防止隔膜收縮造成大面積短路；2、涂覆材料熱傳導率低，防止電池中的某些熱失控點擴大形成整體熱失控。
隨著高電壓鋰電芯的發展及對鋰離子電池安全性的日益重視，高端數碼產品將廣泛使用采用一面涂陶瓷一面涂膠的濕法涂層隔膜，高端動力鋰電池則采用濕法陶瓷隔膜。
8、陶瓷氧化鋁
在涂覆隔膜中，陶瓷涂覆隔膜重要針對動力鋰電池體系，因此其市場成長空間較涂膠隔膜更大，其核心材料陶瓷氧化鋁的市場需求將隨著三元動力鋰電池的興起而大幅提升。
近兩年陶瓷涂層隔膜的專利上升較快，截至日前有關陶瓷涂覆隔膜的發明專利24篇，其中19篇系2013-2014年申請。
用于涂覆隔膜的陶瓷氧化鋁的純度、粒徑、形貌都有很高要求，日本、韓國的產品較成熟，但價格比國產的貴一倍以上。因此國內目前多家公司在研發陶瓷氧化鋁，希望減少進口依賴。
9、高電壓電解液添加劑
提高電池能量密度乃鋰離子電池的趨勢之一，目前提高能量密度方法重要有兩種：一種是提高傳統正極材料的充電截止電壓，如將鈷酸鋰的充電電壓提升至4.35V、4.4V。但靠提升充電截止電壓的方法是有限的，進一步提升電壓會導致鈷酸鋰結構坍塌，性質不穩定；另一種方法則是開發充放電平臺更高的新型正極材料，如富鋰錳基、鎳鈷酸鋰等。
正極材料的電壓提升后，要與之配套的高電壓電解液。添加劑對電解液的高電壓性能起到關鍵性用途，其成為近年來的研發重點。截至日前，國內共56篇高電壓電解液添加劑相關發明專利，2012-2014年共50篇，占比94%。
10、水性粘結劑
目前正極材料重要使用PVDF做粘結劑，用有機溶劑進行溶解。負極的粘結劑體系中有SBR、CMC、含氟烯烴聚合物等，也會用到有機溶劑。在電極片制作過程中，要將有機溶劑烘干揮發，這既污染環境，又危害員工健康。干燥蒸發的溶劑需用特殊的冷凍設備收集并加以處理，且含氟聚合物及其溶劑價格昂貴，新增了鋰離子電池的生產成本。另外，SBR/CMC粘結劑在加工過程中易粘輥，且難以用于正極片制備，使用范圍受到限制。
出于環保、降低成本、新增極片性能等需求考量，水性粘結劑有望得到廣泛應用。截至目前鋰離子電池水性粘結劑相關發明專利62篇，其中2011-2014年共49篇，占比79%。
目前雖然水性粘結劑的粘結性等性能與PVDF、SBR相比仍存在差距，且成本較傳統粘結劑偏高，但隨著技術的不斷提升，水性粘結劑的市場需求會越來越大，并逐步進行對SBR、PVDF的替代。
