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左下角：聚合物電解質(zhì)。

右側(cè)：報告合著者Alex Holland。

通常設(shè)計和生產(chǎn)的鋰離子電池是否接近其性能極限？一篇新的報導(dǎo)提供了五種改進(jìn)途徑。

技術(shù)業(yè)務(wù)咨詢公司IDTechEx發(fā)表了一篇被稱為《2022-2032先進(jìn)鋰離子電池與超越鋰電池：技術(shù)、參與者、趨勢、市場》的報稿，該報稿由儲能技術(shù)專家Alex Holland與Xiaoxi He編寫。根據(jù)合著者的觀點，在文章中總結(jié)了五個關(guān)鍵點：“目前鋰離子電池的迭代是基于石墨陽極、液體電解液以及鎳鈷錳和磷酸鐵鋰等陰極材料，一般被認(rèn)為達(dá)到了電池性能的極限。然而，從電池材料到電池設(shè)計，仍然有幾個途徑可以進(jìn)一步提高性能和成本。”
從石墨到硅的轉(zhuǎn)變
硅陽極有望顯著提高能量密度和性能，為現(xiàn)有石墨陽極提供了令人興奮的替代品。盡管材料硅在陽極中的使用量很少，小于5 wt%，但由于其固有的體積膨脹以及由此產(chǎn)生的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命問題，很難超越其作為添加劑的用途。

然而，硅陽極技術(shù)已經(jīng)在過去10至15年穩(wěn)步改進(jìn)，允許電池可以在陽極中使用5-100%的硅。

2022年的發(fā)展突出了對該技術(shù)的興趣，包括Nexeon向SKC籌集2億美元資金和許可材料，安普瑞斯（Amprius）決定上市，Group14 Technologies的4億美元融資回合，以及POSCO Holdings收購Tera Technos。此外，安普瑞斯交付了450 Wh/kg的商用電池用于衛(wèi)星，然而2021年9月發(fā)布的Whoop 4.0健身穿戴設(shè)備利用了Sila Nano的硅陽極技術(shù)。

結(jié)合這些發(fā)展，隨著硅陽極市場在各種應(yīng)用中的采用可能性越來越大，硅陽極市場也愈發(fā)成熟。例如，IDTechEx預(yù)測硅陽極材料的使用將大幅增長，盡管預(yù)計到2030年石墨仍舊占據(jù)主導(dǎo)地位。

陰極合成的新方法

未來的鋰離子電池可能會使用今天市場上可買到的類似陰極材料。改善陰極材料通常是循序漸進(jìn)的。

相反，陰極技術(shù)和創(chuàng)新的最大轉(zhuǎn)變可能源于它們的合成方式。目前的合成技術(shù)需要在相對較長的時間段（天）內(nèi)高溫，同時也需要使用大量試劑和水，導(dǎo)致高制造成本和環(huán)境影響。Nano One Materials與6K Energy這兩家公司的目標(biāo)是將合成陰極材料的新方法商業(yè)化。

Nano One Materials利用基于溶液的‘one-pot’方法來生產(chǎn)涂層陰極材料。該公司與陰極制造商Pulead合作，并于2022年初與巴斯夫（BASF）簽訂了開發(fā)協(xié)議。

6K Energy利用微波等離子體反應(yīng)堆來生產(chǎn)其陰極材料，盡管他們也能夠合成硅陽極和固體電解質(zhì)材料。6K Inc于2022年5月在D輪融資中完成了1.02億美元的交易，并與鋰生產(chǎn)商Albemarle和陰極初創(chuàng)公司Our Next Energy簽訂了開發(fā)協(xié)議。

Nano One Materials與6K Energy都有望簡化生產(chǎn)流程，以提高吞吐量、產(chǎn)量、更低的制造成本以及減少對環(huán)境的影響。

固態(tài)電解質(zhì)與新型電解質(zhì)配方

雖然固態(tài)電解質(zhì)引起了人們對電解液技術(shù)的極大關(guān)注，但使用新型添加劑和電解質(zhì)配方可以不斷改進(jìn)液體電解液系統(tǒng)。例如，New Dominion Enterprises正在研發(fā)基于磷腈和磷氮化合物的電解質(zhì)添加劑和溶劑，以提高安全性和性能。具體來說，其電解質(zhì)添加劑材料可以提供熱穩(wěn)定性，降低蒸汽壓和改善SEI的形成。從長遠(yuǎn)來看，該公司的目標(biāo)是用他們的電解液系統(tǒng)完全取代傳統(tǒng)使用的有機(jī)溶劑，并有可能顯著提高安全性。

然而，對于許多電動汽車制造商來說，最重要的電池技術(shù)仍然是固態(tài)電池，可以通過固態(tài)電解質(zhì)代替當(dāng)前使用的易燃液體電解液，從而大幅提高安全性。此外，固態(tài)電解質(zhì)還提供了使用鋰金屬陽極的潛力，能量或可超過1000Wh/l。2031年，固態(tài)電池市場有望增長至80億美元以上，液體電解液仍舊是市場中的重要部分。固態(tài)電解質(zhì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、循環(huán)壽命、可制造性，甚至在安全性方面的挑戰(zhàn)意味著不同電解質(zhì)系統(tǒng)之間的競爭仍在繼續(xù)。

節(jié)省空間的電池組

特別是對于電動汽車，電池組的設(shè)計為增強(qiáng)性能提供了另一關(guān)鍵途徑。許多汽車公司已采用電池到電池組的設(shè)計，以消除與模塊外殼相關(guān)的材料，優(yōu)化包裝效率，最終有助于提高能量密度，改善電池與車輛的集成。比亞迪宣傳將容量利用率提高50%的可能性，從40%提高到60%，電池制造商CATL宣稱最新的電池到電池組的設(shè)計可實現(xiàn)72%的容量利用率。2022年早期，CATL宣布磷酸鐵鋰電池組可達(dá)到160Wh/kg，290Wh/l，可與鎳鈷錳電池組競爭。

最大限度地提高能量密度有助于緩解廉價磷酸鐵鋰電池的主要缺點，為廉價且續(xù)航長的電池提供了一條新途徑。這些種類的電池設(shè)計確實存在可用性降低的缺點，這會限制其在商用汽車的使用。

更智能的電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)(BMS)的改進(jìn)可以提供一條改善電池性能的多個方面的途徑，而無需與材料開發(fā)相關(guān)的挑戰(zhàn)。例如，Qnovo強(qiáng)調(diào)了其電池管理系統(tǒng)軟件與分析有助于同時提高安全性、循環(huán)壽命和充電時間，以及增加電池的可用容量。該公司通過結(jié)合電池使用數(shù)據(jù)與電池阻抗測量來實現(xiàn)這一點，這些數(shù)據(jù)為鋰離子電池的物理模型提供了信息，進(jìn)而用于優(yōu)化操作和充電協(xié)議。其電池管理系統(tǒng)解決方案的另一使用案例可能來自電池故障檢測，這一點在近期召回的電動汽車上是非常有價值的。

除了電動汽車之外，改善電池管理系統(tǒng)對于智能手機(jī)、電動工具等其他終端用途也具有較高的價值。一加（OnePlus）宣傳10T手機(jī)僅需19分鐘可從1%充電到100%，部分原因在于更智能的充電算法以及更高效的熱管理。除了這種快速充電能力，一加還宣傳1,600次的循環(huán)壽命超越了LCO和消費(fèi)電子電池宣傳的循環(huán)壽命。雖然電池開發(fā)通常包括能量密度、循環(huán)壽命、快充和安全等關(guān)鍵性能特征之間的權(quán)衡，電池管理系統(tǒng)的改進(jìn)可能會為所有這些特性帶來改進(jìn)。

最終，有許多種途徑可以提高電池性能和成本，包括該文章中未討論的其他方法。盡管一些開發(fā)可能只會帶來增量效益，但組合將使鋰離子電池性能繼續(xù)穩(wěn)步向前發(fā)展。

原標(biāo)題：改善鋰離子電池的五種途徑