材料決定新能源汽車的未來——鋰電池發展路線專題（一）

對于動力鋰電池來說，2016年一開始就發生了一件大事。2016年初，工信部做出了“暫停三元鋰電池客車列入新能源汽車推廣應用推薦車型目錄”的決定；雖然只是針對客車，但此舉就像將一個石頭扔進了原本不平靜的新能源領域，掀起了“驚濤駭浪”。關于鋰離子電池發展的技術之爭問題，也引起了更多人的關心和討論。

鋰離子電池技術發展之爭，歸根到底還是材料問題

要了解鋰電池技術發展之爭，我們需要從鋰電池的發展開始講起。鋰電池自誕生以來，就因其能量密度大、工作電壓高、自放電小等優點在便攜式電子設備方面得到了廣泛的應用。通常情況下，我們講的鋰電池是鋰離子電池，即是鋰二次電池。上世紀六、七十年代，鋰二次電池最初提出時，是以鋰金屬或者其合金做為負極、以氧化物或者硫化物（MnO2、TiS2、等）做為正極材料。

因為鋰金屬直接作為負極，存在鋰枝晶等危險，鋰二次電池一直沒有實現商品化。直至1980年Armand M首次提出“搖椅式”電池這一突破思想，避免了鋰金屬直接存在于電池內部的情況，鋰二次電池才迎來了新的曙光。John B. Goodenough于1980年和1997年分別提出的LiCoO2和LiFePO4作為鋰電池正極材料，直接推動了鋰離子電池的發展。1990年，索尼公司用碳作為負極材料、LiCoO2作為正極材料制備出了鋰離子電池。自此，鋰二次電池得以商業化并且開始迅速發展。

圖1 不同種類的鋰離子電池

鋰電池的內部包含正極材料、負極材料、電解液（電解質）和隔膜材料，材料的發展才能帶來鋰電池的發展。自鋰電池誕生開始，電池材料一直在更新發展。人們希望開發出能量密度高、循環壽命長、安全高效、環保低廉的電池材料。在這其中，正極材料的研發顯得尤為重要。因為對于鋰離子電池來說，正極材料占據了40%的成本。正極材料的性能和價格直接決定了鋰電池的性能和價格。目前來說，主流的商業化鋰電池正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料（鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰）等。

表1 各種正極材料匯總和對比

鈷酸鋰（LCO）是一種層狀化合物，是較早商用的一種正極材料；鈷酸鋰充放電穩定，生產工藝簡單，目前多用于一些小型電池，應用于便攜式電子設備等場合。由于含有Co這種稀有金屬，所以鈷酸鋰價格比較昂貴，并且毒性比較大。鈷酸鋰最大的缺點體現在結構穩定性、熱穩定性、過充安全性差。

為了克服以上缺點，研究人員一直嘗試用摻雜雜原子、包覆改性等方式來改善鈷酸鋰的性能。錳酸鋰（LMO）是1981年James C. Hunter制備出的一種三維鋰離子通道正極材料，具有電位高、價格低、安全性較好等優點。由于高溫下錳酸鋰會溶解導致其容量衰減，所以目前研究人員一直致力于通過體相摻雜的方式來改善其高溫穩定性。此外，通過表面修飾來改善其與電解質的相容性也是一個重要的研究方向。

磷酸鐵鋰（LFP）近年來受到了廣泛的關注和應用，得益于其優異的循環穩定性、結構穩定性和安全性能。磷酸鐵鋰被認為是中大容量、中高功率的動力鋰電池材料的首選。磷酸鐵鋰材料導電性差，通過碳包覆等手段可以顯著的改善其導電性。三元電極材料鎳鈷錳酸鋰（NCM）、鎳鈷鋁酸鋰（NCA）近年來在動力電池領域受到廣泛的追捧；由于其能量密度較磷酸鐵鋰高，因此被認為是可以替代磷酸鐵鋰的材料。

圖2 不同正極材料的熱穩定性對比

鋰電池電極材料的安全性能是鋰電池的一個重要的評價指標，也是決定鋰電池品質是否過關的一個重要因素。安全性能往往體現在熱穩定性上面，如圖2所示：同等條件下，鈷酸鋰的熱穩定性最差，NCA、NCM次之，錳酸鋰熱穩性較好，磷酸鐵鋰熱穩定性最好。

圖4 不同正極材料的性能對比

目前來說，動力鋰電池技術之爭主要反應在電池正極材料的選擇問題上，具體來說集中在磷酸鐵鋰與三元電極材料之爭。三元材料比磷酸鐵鋰容量大、電壓平臺高、振實密度大、低溫性能好，因此從這一方面來講三元材料有著明顯的優勢。此前有行業研究機構預測，三元動力電池的市場占比今年將達到25%，到2017年，這個比重將會增長到50%。

另一方面，磷酸鐵鋰有著三元材料無法比擬的循環穩定性和熱穩性性。現實生產中，多數企業實行的是磷酸鐵鋰與三元材料并重的戰略。本文剛開始提到的工信部做出了“暫停三元鋰電池客車列入新能源汽車推廣應用推薦車型目錄”的決定，就是基于三元材料的安全性較差做出的。也有業內人士分析，此決定有可能也是針對新能源產業“騙補”的亂局做出的。無論如何，工信部此次做出的決定，反映出了我國新能源產業尤其是鋰電池行業存在的嚴重問題。

三元電池料NCM、NCA能量密度高，有著廣闊的應用前景，不能因為熱穩定性不好而對其一概投否定票。由于三元鋰電池組成復雜，成分可以改變多種比例，通過調節x、y、z的比例，可以實現更好的熱穩定性和安全性、最大程度地發揮材料的優勢。

尤其是我國，三元電池研究相比于國外存在著較大差距，應該整合資源、制定統一標準，進行科學合理的研究，使三元材料的技術與應用盡快與國際先進水平接軌。磷酸鐵鋰材料循環性能優異、成本較低、熱穩定性好、可快速充電，技術比三元材料成熟，目前仍然占據著很大的市場比例。可以預見，未來一段時間內，磷酸鐵鋰仍然會扮演者重要的角色。

鋰電池發展現在遇到了瓶頸期，主要表現在能量密度低、快速充電能力差、安全性差等方面；制約鋰電池發展的核心問題，依然是材料。對于材料人來說，難點即是機遇，痛點即是起點，正因為有了各種問題，才突出了材料研究和基礎研發的重要性。或許將來磷酸鐵鋰和三元材料都要被新的材料體系取代，或許將來有更適合的電池體系取代鋰離子電池；但是當下，鋰電池發展受限的問題很嚴峻，鋰電池技術之爭依然沒有最終結論。

注：本文是材料人新能源學習小組關于鋰電池技術之爭的連載文章的第一篇，后期我們將會從負極材料、電解液（電解質）、產業格局等角度入手，繼續與大家探討這個話題！若您有關于此話題想說的，也可以給我們投稿！新能源學習小組qq群：461419294。

材料人新能源學習小組材料小兵供稿，材料牛編輯整理。