目前新能源汽車業內比較火熱的動力電池是磷酸鐵鋰電池和三元電池,被寄予厚望的富鋰錳基電池則一直不溫不火。電動汽車資源網獲悉,7月工信部公示的第310批新車公示中,富鋰錳基電池出現在配套名單中,由浙江遨優動力提供配套,配套的車型為江蘇陸地方舟新能源車輛股份有限公司生產發陸地方舟牌RQ5026XXYEVZ1純電動廂式運輸車和新日(無錫)發展有限公司生產的新日牌XRF5032XXYBEV純電動廂式運輸車,這不管是在中國還是全球均屬首次。

前途不可限量的富鋰錳基

我國高度重視新能源汽車產業,將新能源汽車列為七大戰略性新興產業之一。對于新能源汽車而言,不管國家的支持政策如何,決定其發展的關鍵因素仍是能否滿足消費者的需求。目前,受限于動力電池技術水平,大部分商業化的純電動汽車續航里程仍然偏低,消費者對其存在著嚴重的“里程焦慮”,購買欲望不強。電動汽車資源網了解到,純電動汽車續航達到320公里,可以滿足大多數消費者的使用需求;續航達到600公里,接近于燃油車滿油狀態下的續航里程,才能消除消費者的“里程焦慮”。因而,研發出新一代高能量密度的動力電池,是動力電池未來技術發展的必然要求和趨勢。

就目前行業的技術來說,降低電芯非活性物質質量來提高動力電池能量密度的技術已經觸頂,通過使用能量密度更高的正負極材料來提高動力電池的能量密度是更有效的方法。電動汽車資源網了解到,在已知的正極材料中,富鋰錳基正極材料放電比容量高達300mAh/g,是當下已經商業化應用的磷酸鐵鋰和三元材料等正極材料放電比容量的一倍左右,非常適合用來做新一代高能量密度動力鋰電池正極材料。富鋰錳基材料具有成本低、容量高、無毒安全等優點,用來做正極材料能夠滿足動力電池在電動汽車等領域的使用要求。在解決了相關制約技術問題后,富鋰錳基正極材料具有放電比容量的絕對優勢將有利于實現電動汽車的大規模推廣。

富鋰錳基合成方法及存在問題

富鋰錳基正極材料主要有以下幾種合成方法:

一、共沉淀法。共沉淀法是將幾種過渡金屬離子在原子級水平上均勻混合,樣品的形貌易于形成規則球形,且粒徑分布均勻。

二、溶膠-凝膠法。此方法合成的富鋰錳基電化學性能相對優良,但產物的形貌不易控制,常需要花費大量昂貴的有機酸或醇,成本較高。

三、固相法。固相法要求對原料要有很好的混合,并在煅燒過程中要保證幾種過渡金屬離子有充分的擴散。

富鋰錳基正極材料的放電比容量有絕對優勢,但要將它應用在動力電池上,還有很長的路要走,因為其還存在著以下幾個技術性難題:

一、首次循環不可逆容量相對較大。研究表明,其首次庫侖效率通常在75%,經過改性處理后能夠達到88%左右。這是因為首次充電至4.5V以上時,晶格中的O2-伴隨著Li+以Li？O的形式脫出,為了保持電荷的平衡,表層的過渡金屬離子會遷移至體相,占據Li+脫出留下的八面體位,從而導致放電時Li+無法完全回嵌,造成不可逆的容量損失。因此,企業在進行電池工業設計的時候,必須考慮到正極的首次使用效率,避免因為負極質量設計不足而導致金屬鋰枝晶的形成。

二、電壓平臺下降,循環穩定性能差。由于充放電過程中Mn離子向鋰層中的鋰空位遷移,引起材料的層狀結構逐漸向類尖晶石相轉化。此外,由于材料工作電壓窗口較高,想要容量完全發揮出來,全電池的電壓范圍就必須設置在2.0~4.7V,而目前大部分商業化的電解液仍不能滿足需求。一般來說,循環測試時的電壓窗口設置在2.5~4.5V,因此限制了富鋰錳基正極材料高比能優勢的發揮。所以就需要通過表面包覆、體相摻雜、顆粒納米化等方法對富鋰錳基正極材料進行改性處理。此外,還要使用相匹配的高壓電解液。

三、儲存性能和涂覆性能相對較差。儲存性能是影響正極材料能否實用化的一個關鍵因素,生產、貯藏、運輸及電池的制造過程中,正極材料的各項物理化學性能均必須保持穩定。相關研究表明,由于富鋰錳基正極材料堿度較大且表面粗糙,相比鈷酸鋰等正極材料更容易吸潮,因此在動力電池的制備過程中,必須嚴格控制水分,以免產生涂覆過程中黏附力下降以及電池脹氣等問題。

盡管富鋰錳基在發展過程中還存在著各種問題,但此次其首現配套可以說讓我們看到了富鋰錳基走向商業化的一絲曙光。富鋰錳基能否成為未來主流的正極材料,我們且看且期待。