新能源动力电池“三高”关键材料与技术分析和研究

　全球新能源汽车(纯电和插混)销售量，2023年为1465万辆，2024年1823万辆。中国新能源汽车发展，迈入全球化的高质量发展新阶段，2023年新能源汽车累计销量950万辆，全球占比达到64.8，2024年累计销量达到1286万辆，全球占比70.5%。

　　2024年全球锂电池产量达到1545GWh，到2025年全球主要锂电池厂商规划产能达到4335GWh，在全球动力电池装机量排名前十的企业中，中国企业6席。

　　工信部发布我国锂电池电池产量2023年940GWh，2024年1170 GWh，锂电产值超过4万亿元，其中动力型 储能型 消费型锂电池产量分别占比826 260 84 GWh。

　　我国动力电池产量全球占比70%，引领全球，电芯制造与电池结构设计技术优势明显，但原创技术偏少，未来的机遇和挑战在于突破能量密度和电池安全。

　　锂离子电池受制于脱嵌反应机制和材料体系，其能量密度公里密度循环寿命安全等性能相互制约，难以兼顾，如何实现电池高能量密度与高安全迫在眉睫。

　　电池高比能高安全及提升策略：

　　● 高比能电池正极材料(高容量，高电压)解耦设计，协同提升：Mg参杂钴酸锂占据Li层，作为支柱稳定4.6V电压下的循环。

　　● 高比容量金属锂负级，金属锂是圣杯级高比能负极，在空气中很难稳定保存，要在实际应用，需解决金属锂的稳定性，提高电池的安全性。

　　多种薄锂负极制备策略，锂银合金厚度低至1微米的大面积锂箔。直接刮涂法，将熔锂浇铸到碳纳米管薄膜上，从而获得超薄的Li-CNT膜。

　　需要注意一点，金属锂负级稳定性差，固态电解质界面电阻大，行业内提出了“锂合金化”“界面亲润”新策略，构筑了系列稳定的金属锂负级，优化固态界面结构。

　　这种看法，将锂金属作为金属看待，认为金属必然存在疲劳效应。疲劳与锂电池失效的关联分为三种模式:

　　◎ 缺陷疲劳主导的失效，锂金属与固态电解质接触不良时，初始缺陷会增加局部电流密度和应力集中，加速界面退化。

　　◎ 动力学疲劳主导的失效，在高电流密度下锂离子扩散速度有限，导致锂剥离过程中产生微孔并扩展，导致界面退化。

　　◎ 循环应力疲劳主导的失效，即使在低电流密度下，循环应力仍会导致金属锂疲劳最终引发界面退化。

　　● 微乳电解液实现金属锂电池“三高”

　　难点在于界面结构难稳定，材料退化难控制。同步调控正极界面CEI和负极界面SEI 。挑战正负极材料与电解液界面不稳定，易发生副反应。

　　◎ 策略：解耦CEI和SEI ，设计非均相微乳电解液，实现同步调控。通过溶解度筛选构筑微乳电解液，氟化溶剂形成不可溶核壳结构的微乳液。

　　◎ 高稳定：同时形成富含LiF的CEI和SEI层，大幅提升界面动态稳定性。

　　◎ 高安全：含F电解液具有阻燃特性，循环过程未观察到气体产生，针刺无压降，不起火，呈现优异的安全性能。

　　● 高比能无负极金属锂电池

　　行业内发明一种P区金属添加剂，原位构筑人工SEI膜，提升界面稳定性和锂离子快速输送能力，获得更高的循环和100%库伦效率。

　　● 补锂技术助力实现电池高比能

　　行业内发现锂箔预锂损伤机制，粉化和死锂导致锂利用率低。电子转移路径的阻断，导致锂残留和低锂利用率，容量加速衰减。

　　● 自愈合界面调控实现高比能高安全

　　挑战聚合物电解质离子电导率低，固固界面阻抗大，影响界面锂离子输运，利用聚醚氨脂电解质中的二硫键和氢键自愈合，实现固态锂金属电池多界面自修复，提升界面相容性。

　　● 萘穿刺的聚合物复合集流体

　　◎ 挑战:内短路是导致电池起火爆炸的主要原因之一。

　　◎ 解决方案：提出第二可变形隔膜，抑制内短路的新思路，构筑金属聚合物的复合集流体。

　　● 热关断智能电解液

　　100摄氏度以上电解液分解成离子阻隔型SEI和CEI，关断离子输运。

　　小结

　　面向国家对新能源汽车和规模储能的重大需求，发展高比能高安全动力电池与储能电池关键材料与技术，研究开发新型电池体系。

　　● 基础研究：新机制：工业条件下电化学体系反应机制的新认知，如锂疲劳、电解液。

　　● 新材料：复合集流体、热关断智能电解液、锂合金负极;新策略：解耦精准设计，协同提升性能。

　　● 技术攻关：

　　◎ 高比能电池关键材料：电池固态化，界面兼容及自愈合。

　　◎ 电池超级快充技术:杂原子参杂石墨负极。

　　◎ 原位无损检测技术：超声成像分析、光纤监测。

　　● 重点突破：

　　◎ 复合电极材料：实现电池优异的综合性能。

　　◎ 电池本征安全：实现电池高能量密度下的高安全。

　　◎ 智能电池体系：声、光等传感技术，实现电池信息融合。