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左下角：聚合物電解質(zhì)。

右側(cè)：報(bào)告合著者Alex Holland。

通常設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的鋰離子電池是否接近其性能極限？一篇新的報(bào)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(chēng)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(shì)、市場(chǎng)》的報(bào)稿，該報(bào)稿由儲(chǔ)能技術(shù)專(zhuān)家Alex Holland與Xiaoxi He編寫(xiě)。根據(jù)合著者的觀點(diǎn)，在文章中總結(jié)了五個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：“目前鋰離子電池的迭代是基于石墨陽(yáng)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(jì)，仍然有幾個(gè)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(yáng)極有望顯著提高能量密度和性能，為現(xiàn)有石墨陽(yáng)極提供了令人興奮的替代品。盡管材料硅在陽(yáng)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(wèn)題，很難超越其作為添加劑的用途。

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

2022年的發(fā)展突出了對(duì)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(gòu)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(yáng)極技術(shù)。

結(jié)合這些發(fā)展，隨著硅陽(yáng)極市場(chǎng)在各種應(yīng)用中的采用可能性越來(lái)越大，硅陽(yáng)極市場(chǎng)也愈發(fā)成熟。例如，IDTechEx預(yù)測(cè)硅陽(yáng)極材料的使用將大幅增長(zhǎng)，盡管預(yù)計(jì)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(lái)的鋰離子電池可能會(huì)使用今天市場(chǎng)上可買(mǎi)到的類(lèi)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(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間段（天）內(nèi)高溫，同時(shí)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(lái)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(kāi)發(fā)協(xié)議。

6K Energy利用微波等離子體反應(yīng)堆來(lái)生產(chǎn)其陰極材料，盡管他們也能夠合成硅陽(yáng)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(kāi)發(fā)協(xié)議。

Nano One Materials與6K Energy都有望簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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(duì)于許多電動(dòng)汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，最重要的電池技術(shù)仍然是固態(tài)電池，可以通過(guò)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(yáng)極的潛力，能量或可超過(guò)1000Wh/l。2031年，固態(tài)電池市場(chǎng)有望增長(zhǎng)至80億美元以上，液體電解液仍舊是市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)仍在繼續(xù)。

節(jié)省空間的電池組

特別是對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，電池組的設(shè)計(jì)為增強(qiáng)性能提供了另一關(guān)鍵途徑。許多汽車(chē)公司已采用電池到電池組的設(shè)計(jì)，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(chē)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(chēng)最新的電池到電池組的設(shè)計(jì)可實(shí)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(jìng)爭(zhēng)。

最大限度地提高能量密度有助于緩解廉價(jià)磷酸鐵鋰電池的主要缺點(diǎn)，為廉價(jià)且續(xù)航長(zhǎng)的電池提供了一條新途徑。這些種類(lèi)的電池設(shè)計(jì)確實(shí)存在可用性降低的缺點(diǎn)，這會(huì)限制其在商用汽車(chē)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(gè)方面的途徑，而無(wú)需與材料開(kāi)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(shí)提高安全性、循環(huán)壽命和充電時(shí)間，以及增加電池的可用容量。該公司通過(guò)結(jié)合電池使用數(shù)據(jù)與電池阻抗測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(lái)自電池故障檢測(cè)，這一點(diǎn)在近期召回的電動(dòng)汽車(chē)上是非常有價(jià)值的。

除了電動(dòng)汽車(chē)之外，改善電池管理系統(tǒng)對(duì)于智能手機(jī)、電動(dòng)工具等其他終端用途也具有較高的價(jià)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(kāi)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(huì)為所有這些特性帶來(lái)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(kāi)發(fā)可能只會(huì)帶來(lái)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