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繼鈉離子電池之后，動力電池的下一位“新秀”會是誰?

8月9日，星恒電源股份有限公司(以下簡稱“星恒電源”)與天目湖先進儲能技術研究院有限公司(TIES)攜手，共同創(chuàng)立“雙子星聯(lián)合實驗室”，致力于進行“耐高溫、長壽命、高安全的錳酸鋰材料和電池技術開發(fā)項目”研究。

如今，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池在乘用車領域都擁有眾多的用戶。這兩種動力電池成為了市場主流，為何雙子星聯(lián)合實驗室還要聚焦錳酸鋰電池?《中國汽車報》記者帶著疑問，獨家專訪了TIES院長、中國科學院物理所研究員李泓。

優(yōu)點和缺點都很突出

在人們的印象中，電動汽車普遍使用三元鋰或磷酸鐵鋰電池，在市場上很少看到配裝錳酸鋰電池的車型，造成這種現(xiàn)象的原因是什么?

李泓告訴記者，大家一直比較關注電動汽車的續(xù)駛里程，動力電池的能量密度越高，單次充電續(xù)駛里程越長。三元鋰電池的能量密度可達300Wh/kg，因此在乘用車上具有較為明顯的優(yōu)勢地位。不過，由于需要使用鈷、鎳等金屬材料，導致它的成本高于磷酸鐵鋰電池。

隨著CTP、刀片電池技術的進步以及整車對電池包體積的優(yōu)化，電動汽車配裝磷酸鐵鋰電池也能達到500～600公里的續(xù)駛里程，基本上能消除人們的里程焦慮。再加上其成本明顯低于三元鋰電池，而且安全性較好，近一段時間以來磷酸鐵鋰電池的產(chǎn)量和裝機量不斷擴大。

錳酸鋰電池的能量密度不及上述兩種動力電池，循環(huán)壽命、高溫儲存特性也存在短板。不過，它也有著突出的優(yōu)點。“錳酸鋰電池的成本比磷酸鐵鋰電池低，快充性能表現(xiàn)良好，低溫性能也非常突出。在鋰電池的市場競爭中，大規(guī)模應用、取得優(yōu)勢地位的關鍵還在于成本、安全等幾項因素。”李泓認為。

李泓告訴記者，錳酸鋰材料比磷酸鐵鋰的成本低20%～30%。另外，錳酸鋰電池的電壓較高，達到3.9V，磷酸鐵鋰電池為3.4V，三元鋰電池為3.7V。電壓高意味著電池PACK可以使用較少的電芯，錳酸鋰電池包既可以少裝電芯降低成本，又表現(xiàn)出體積優(yōu)勢，PACK的成本明顯低于三元鋰或磷酸鐵鋰電池。

錳酸鋰電池的安全性則介于三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池之間。李泓指出，磷酸鐵鋰電池的安全問題主要來自負極，三元鋰電池的安全問題來自正極的因素更加突出。錳酸鋰是尖晶石結構，比層狀氧化物的穩(wěn)定性好，磷酸鐵鋰中磷酸根中的氧更難析出，穩(wěn)定性強于錳酸鋰電池。

錳酸鋰電池有改良空間

三元鋰電池能量密度的極限在哪里?目前，業(yè)界還沒有給出準確的答案。不過，人們對于磷酸鐵鋰的極限值基本已形成共識，約為170mAh/g，目前其潛力挖掘已達到165mAh/g。錳酸鋰的理論克容量約為144mAh/g，現(xiàn)有錳酸鋰電池的克容量為114～117mAh/g，其能量密度還有較大提升空間。

錳酸鋰電池的高溫穩(wěn)定性不如磷酸鐵鋰電池，但也有改進辦法。據(jù)李泓介紹，他們在做固態(tài)電池的時候，把高鎳三元材料表面經(jīng)過固態(tài)電解質處理，可以防止氧析出以及熱失控，降低表面氧化能力。對錳酸鋰材料進行改性，也有機會提高電池高溫穩(wěn)定性;另外，在負極側進行固態(tài)化處理，也可防止析鋰及帶來的副反應。

改進不僅于此，隔膜技術提高也為錳酸鋰電池的進一步發(fā)展帶來了希望——中間的隔膜經(jīng)過涂層后，熱收縮溫度能達到較高的水平，使安全性顯著提升。據(jù)悉，涂層的固態(tài)化可以改善正負極與隔膜的界面接觸，有利于防止正極錳溶解后向負極擴散，發(fā)生熱失控的幾率將進一步降低，或顯著提高熱失控的溫度。

李泓說：“錳酸鋰電池改性的第一步是實現(xiàn)準固態(tài)化，下一步要嘗試全固態(tài)。這些都實現(xiàn)后，錳酸鋰電池的安全性、耐高溫性能、循環(huán)性能將顯著提升。”他還告訴記者，在正極材料不變的情況下，從人造石墨負極到納米硅碳負極再到鋰碳復合負極，錳酸鋰電池電芯的能量密度能提升至240～250Wh/kg以上。未來，隨著電解質耐氧化電位的提高及固態(tài)電解質的引入，其正極材料還有可能進一步升級為放電電壓在4.8V，可逆容量在135mAh/g的鋰鎳錳氧(LiNi0.25Mn1.5O4)。這類材料與錳酸鋰晶體結構一致，含鎳量較低，直接與石墨匹配后的能量密度可以提升至240Wh/kg，未來與納米硅碳等復合，有望超過280Wh/kg。另外，還有一類高錳基正極材料，其材料可逆容量高達300mAh/g以上，只是目前在循環(huán)過程中存在電壓衰減明顯、倍率性能相對較差、循環(huán)性不到1000次以上、高溫脹氣等問題，需要進一步優(yōu)化。

隨著技術瓶頸不斷突破，這些新材料一旦開發(fā)成功，將顯著推動錳基正極材料的應用，從資源可持續(xù)性、降低成本、提高綜合技術經(jīng)濟性方面考慮，有望占據(jù)更大的市場份額。

或與三元材料“結合”出更大前景

國家電動乘用車技術創(chuàng)新聯(lián)盟技術委員會原主任、國家新能源汽車創(chuàng)新工程專家組原組長王秉剛曾告訴記者，日產(chǎn)聆風幾乎沒有過重大起火事故。記者查詢資料后發(fā)現(xiàn)，該款車使用錳酸鋰電池，與大多數(shù)電動汽車有顯著區(qū)別。

李泓告訴記者，日產(chǎn)聆風并不單純使用錳酸鋰電池，而是錳酸鋰與三元鋰電池混搭使用。兩種正極材料混用，不僅在汽車上存在，在其他使用場景，如消費電子產(chǎn)品、無人機上也常見。“錳酸鋰電池正極中摻雜三元材料，可以通過離子交換反應，抑制錳溶解，提升錳酸鋰正極材料的高溫和循環(huán)性能，同時提升能量密度。”他解釋說。

據(jù)悉，由于錳基電池有自己獨特的優(yōu)勢，不僅國內多家企業(yè)涉足，AESC、LG化學、東芝、日立、LEJ等日韓企業(yè)也生產(chǎn)錳酸鋰電池或在三元鋰電池里摻雜錳酸鋰材料。在今年3月舉行的大眾汽車“電池日”活動上，該公司就明確表示，將大力研發(fā)高錳電池。

記者了解到，雙子星聯(lián)合實驗室的創(chuàng)建方之一星恒電源，曾由中科院物理所孵化，一直致力于錳酸鋰電池的開發(fā)，已成為國內最大的錳酸鋰電池研發(fā)與生產(chǎn)企業(yè)。星恒電源與TIES聯(lián)合成立實驗室，就是希望通過逐步導入納米固態(tài)電解質、納米硅碳負極、固態(tài)電解質復合隔膜等新技術，開發(fā)更耐高溫、長壽命、本質安全的錳酸鋰材料和電池技術，逐漸實現(xiàn)錳酸鋰電池從液態(tài)到準固態(tài)，到未來爭取實現(xiàn)全固態(tài)，從而顯著提升錳酸鋰電池的能量密度、循環(huán)壽命、安全性，同時發(fā)揮其低成本、高倍率、低溫性能好的優(yōu)點。“這項技術如果研發(fā)成功，在電動輕型車和電動汽車動力電池領域將具有強大的市場競爭力。”李泓說。

“隨著新能源汽車補貼退坡直至取消，減少資源依賴，減少鋰電池中鈷和鎳的含量甚至完全不使用鈷和鎳，從而減低動力電池成本，增強市場競爭力成為企業(yè)考慮的頭等大事。錳酸鋰電池以其獨特的優(yōu)勢受到人們的重視，與改性后的三元材料結合，既改善電池包性能，又能控制成本，預計未來市場份額可達25%以上。”李泓認為。(記者：萬仁美)