摘要：随着全球经济不断发展，能源危机逐步加深、环保意识不断增强，作为新能源及环保低碳的动力电池产业得到迅猛发展，而锂离子电池凭借其优异的性能、成熟的技术成为众多动力电池的主流发展方向。锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜构成，依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，具有反复充电的能力，随着材料种类、性能技术不断突破和生产成本的有效控制，锂离子电池质轻、续航里程长、适用范围广、能量密度高、输出功率高的优势将逐步得到体现，被作为主要的动力电池发展，是当今新能源车动力电池的主要类型。
关键词：锂离子动力电池；材料发展趋势；
新能源汽车爆发式增长，带动了锂电池市场高速增长。随着新能源汽车的兴起，动力电池将成为未来锂电池市场发展的主力。近年来，世界各国都在大力发展锂离子电池抢占市场先机，我国锂离子电池得到快速发展，已成为锂电池生产大国。带动了锂电池的上下游相关材料的发展，特别是锂离子电池正极材料的发展。
一、锂离子动力电池
1.三维模型建立。考虑到极片辊压中轧辊结构的复杂性以及有限元软件计算的局限性，本文对轧辊有限元模型进行了以下简化：一是对轧辊的辊颈结构作简化处理。二是由于极片辊压时辊系的布置和受力情况为上下对称分布，利用软件建立轧辊三维模型，通过接口导入有限元软件中并进行定位。二是参数设定。辊压机轧辊参数选取国内某厂极片辊压机500×500 轧辊参数，极片来料宽度为450 mm和550 mm，考虑四辊辊压机工作辊施加弯辊力对极片厚度一致性的影响因素时，弯辊力FW设定为0、5×103 kg和10×103 kg。三是载荷施加。由于实际辊压中极片对轧辊的作用力分布复杂，难以计算，在进行载荷施加时予以简化。将实际辊压中轧辊受到的最大辊压力假设为工作辊长度方向中间线段上受到垂直于辊面的均布载荷。
2.极片浆料涂布。无论是锂离子电池的正极，还是负极，都涉及浆料，即活性物质往铝箔或铜箔上涂敷的问题，活性物质涂敷的均匀性直接影响电池的质量，因此，极片浆料涂布技术和设备是锂离子电池研制和生产的关键之一。①涂布方法的选择。在锂离子电池实验室研究阶段，可用刮棒、刮刀或挤压等自制简单的涂布实验装置进行极片涂布，效果并不太理想，并存在各种；各样的问题，因此只能涂布出少量供实验研究的样品。一般选择涂布方法需要从下面几个方面考虑，包括：涂布的层数，湿涂层的厚度，涂布液的流变特性，需要的涂布精度，涂布支持体或基材，涂布的速度等。②条缝挤压涂布及其涂布窗口挤压涂布技术是较为先进的技术，可以用于较高粘度流体涂布，能获得较高精度的涂层。采用条缝挤压涂布，要获得均匀的涂层，必须使挤压嘴的设计及操作参数在一个适合的范围内，也就是必须在涂布技术中称为“涂布窗口”的临界条件范围内，才能进行正常涂币。挤压嘴的设计对涂布精度有极其重要的影响。
二、关键材料的发展趋势
1.正极材料。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆锰酸锂（LMO）的优势是原料成本低、合成工艺简单、热稳定性好、倍率性能和低温性能优越，但由于存在效应及钝化层的形成、Mn的溶解和电解液在高电位下分解等问题，其高温循环与储存性能差.通过优化导电剂含量、纯化电解液、控制材料比表面以及表面修饰改善LMO材料的高温及储存性能是目前研究中较为常见且有效的改性方法.磷酸铁锂（LFP）正极材料有着良好的热稳定性和循环性能，这得益于结构中的磷酸基聚阴离子对整个材料的框架具有稳定的作用.同时磷酸铁锂原料成本低、对环境相对友好，因而使得LFP成为目前电动汽车动力电池中的主流材料。但由于锂离子在橄榄石结构中的迁移是通过一维通道进行的，LFP材料存在着导电性较差、锂离子扩散系数低等缺点.从材料制备角度来说，LFP的合成反应涉及复杂的多相反应，因此很难保证反应的一致性，这是由其化学反应热力学上的根本性原因所决定的。磷酸铁锂的改进主要集中在表面包覆、离子掺杂和材料纳米化三个方面.合成工艺的优化和生产过程自动化是提高LFP批次稳定性的基本解决方法.不过，由于磷酸铁锂材料电压平台较低，使得磷酸铁锂电池的能量密度偏低，这一缺点限制了其在长续航小型乘用车领域的应用.镍钴锰三元（NCM）或多元材料优势在于成本适中、比容量较高，材料中镍钴锰比例可在一定范围内调整，并具有不同性能.目前国外量产应用的动力锂电正极材料也主要集中在镍钴锰酸锂三元或多元材料，但仍然存在一些亟需解决的问题，包括电子导电率低、大倍率稳定性差、高电压循环稳定性差、阳离子混排（尤其是富镍三元）、高低温性能差、安全性能差等。另外，由于三元正极材料安全性能较差，采用合适的安全机制如陶瓷隔膜材料也已成为行业共识。考虑到安全性等问题，通过改进工艺（如减少电极壳的重量等）来提高电池能量密度的空间有限.为了进一步提高动力锂离子电池的能量密度，开发高电压、高容量的正极新材料成为动力锂离子电池比能量大幅度提升的主要途径。
2.负极材料。锂离子电池负极材料分为碳材料和非碳材料两大类，其中碳材料又分为石墨和无定形碳，如天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软炭（如焦炭）和一些硬炭等；其他非碳负极材料有氮化物、硅基材料、锡基材料、钛基材料、合金材料等。负极材料将继续朝低成本、高比能量、高安全性的方向发展，石墨类材料（包括人造石墨、天然石墨及中间相碳微球）仍然是当前锂离子动力电池的主流选择；近到中期，硅基等新型大容量负极材料将逐步成熟，以钛酸锂为代表的高功率密度、高安全性负极材料在混合动力电动车等领域的应用也将更加广泛，中远期，硅基负极材料将全面替代其他负极材料已成为行业共识，硅基负极材料被认为是可大幅度提升锂电池能量密度的最佳选择之一，其理论比容量可以达到4000mAh/g以上，与高容量正极材料匹配后，单体电池理论比能量可以达到843Wh/kg，但硅负极材料在充放电过程中存在巨大的体积膨胀收缩效应，会导致电极粉化降低首次库仑效率并引起容量衰减。利用原位透射电镜研究了碳壳与硅核之间的空隙对材料稳定性及电化学性能的影响，由于蛋黄蛋壳的结构在硅和碳层之间预留了充足的空间，使硅在嵌锂膨胀的时候不破坏外层的碳层，从而稳定材料的结构并得到稳定的SEI膜。在此基础上，通过对碳包覆之后的纳米颗粒进行二次造粒，在大颗粒的表面再包覆碳膜，最后刻蚀制备出类石榴的结构，复合材料尺寸的增大减小了材料的比表面积，提高了材料的稳定性。
随着锂电池行业的飞速发展，给锂离子电池正极材料的快速发展带来了巨大市场，同时需要锂离子电池正极材料具有更高的能量密度和更好的安全稳定性。目前，国内外主要使用钴酸锂正极材料和三元电池材料。三元电池材料因其良好的电化学性能，是目前发展速率最快的电池材料。其他正极材料的研发和生产亦比较活跃。未来，锂离子电池将向着更高的能量密度，更低的成本和更好的安全稳定性发展。
参考文献：
［1］秦克成，桂长清． 锂离子单体电池与电池组的差异［J］． 电池，2018，41（6）：315 － 318
［2］罗雨，王耀玲，李丽华，等． 锂电池制片工艺对电池一致性的影响［J］． 电源技术，2016，37（10）：1757 － 1759．
［3］安洪涛．全球锂离子电池正极材料产业发展分析［Ｊ］．矿冶工程，2018，（6）．
论文作者:徐冲,李建宁
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：材料论文; 正极论文; 负极论文; 涂布论文; 锂离子电池论文; 轧辊论文; 性能论文; 《基层建设》2019年第15期论文;