目前，寧德時代、天津力神、國軒高科等團隊，已經基本實現了300Wh/kg動力電池的研發，但是，仍舊有大量工作需要繼續開展相關的研究。為了實現電池的質量比能量300Wh/kg的目標，主要的方法包括：

（1）選擇高容量材料體系，正極采用高鎳三元、富鋰材料，負極采用硅碳；

（2）設計高壓電解液，提高充電截止電壓；

（3）優化正負極漿料的配方，增加活性物質在電極中占比；

（4）采用更薄的銅箔、鋁箔，減少集流體的所占的比例；

（4）提高正負極的涂布量，增加活性物質在電極中占比；

（5）控制電解液的數量，減少電解液的數量提高鋰離子電池比能量；

（6）優化電池的結構，降低極耳、封裝材料等在電池中所占的比例。

其中，富鋰錳基，高鎳三元，鎳鈷鋁等正極成為開發高能量密度的首選正極材料，而且配合高壓電解液提高電池的充電截止電壓，從而提高電池能量密度。富鋰、NCA、811、622、532、442、433、111這些正極材料在不同截止電壓下性能到底如何呢？

美國阿貢實驗室Ahmed專門對比研究了這些材料，各種正極材料做成的極片具體信息如表1所示，漿料配方和極片設計沒有優化，然后把這些極片組裝成紐扣半電池，電解液為EC:EMC=3：7，1.2m LiPF6，無任何其他添加劑和溶劑。電池下截止電壓除了富鋰材料為2.5V，其他均為3.0V，分別對比了上截止電壓4.2，4.3，4.4，4.5，4.6，4.7V的各種性能，在每個截止電壓下電池進行表2所示的充放電循環，共20個循環。

表1 極片詳細信息

表2 充放電循環程序

圖1是各種材料半電池截止電壓為4.7V時，第一次和第八次充放電曲線，高鎳811在4.2V左右存在一個平臺，而富鋰材料第一次電壓平臺高，對比第八次充放電，可見明顯的電壓降低現象，平均電壓都低于其他材料。

圖1 第一次和第八次充放電曲線

圖2分別是第一次0.1C充電比容量，第八次0.1C放電比容量以及第五次0.05C放電平均電壓，其中，富鋰材料化成均充電到4.7V激活材料。從圖2（b）中可見，隨著截止電壓升高，622比容量成線性增加，811在所有截止電壓下均表現出較高容量，所有的NMC材料低截止電壓下比容量差異較大，4.7V高截止電壓下比容量在200~220mAh/g，而NCA容量增加比較平緩，富鋰材料4.4V以后出現明顯的高容量優勢。圖2（c）中的平均電壓，各材料表現為：所有的NMC材料低截止電壓下平均電壓接近，4.7V高截止電壓下111的平均電壓最高，811的最低。而NCA隨著截止電壓升高，平均電壓增幅較小。富鋰的平均電壓明顯不同，比其他材料都低，而且截止電壓升高，比容量增加，但是平均電壓降低。

圖2 （a）第一次充電比容量；（b）第八次放電比容量；（c）第五次放電平均電壓

圖3是極片的比能量與截止電壓的關系，比能量是容量和電壓的綜合結果。4.2V~4.5V截止電壓下，811的比能量最好，4.6V~4.7V截止電壓下，富鋰材料最好。高截止電壓下，811和622比能量相近，優于其他三元材料。NCA在低截止電壓下比能量較高，隨著截止電壓升高，比能量不再增加，反而在這些材料中最低。

圖3 極片比能量與截止電壓的關系

表3匯總列出了圖2的部分結果，包括第一次充電比容量，第八次放電比容量，第五次放電平均電壓。同時，列出了不同截止電壓下20%和50%SOC時的半電池電壓，以及從其他文獻獲取各種材料全電池在20%SOC時10s直流內阻，直流內阻大小可以體現電池功率特性，直流內阻值越小功率越高。表中可見，不同截止電壓對直流內阻影響不大，并且其值約為21ohm.cm2。

表3 各正極材料不同截止電壓性能匯總

電池第八次循環后采用較大倍率繼續循環到20次，循環程序見表2。不同截止電壓下后續的循環容量曲線如圖4所示。在4.6V截止電壓下富鋰材料循環300h后容量跳水。在4.7V截止電壓下各材料300h后容量都開始明顯衰減，442，622等低鈷材料容量衰減相對更小，而811高鎳材料衰減很快。

圖4 第八次~第二十次循環容量曲線

利用表3中50%SOC的電壓和第八次的放電容量，作者通過一系列的模擬推算預估在不同截止電壓下各材料的pack級別的能量密度。純電動汽車電池要求高能量，假定電池包60kWh，10s脈沖功率要求300kW（5C），這樣的配置大概96S-3P，需要288個電池。在電池設計時，提高極片厚度能夠提高正極活性物質的占比，從而提高電池能量密度，但是功率特性下降。為了達到功率要求，作者先計算了極片的最大厚度，不同截止電壓下各材料的最大厚度如圖5（a）所示，在這些極片厚度設計下對應的PACK比能量如圖5（b）所示。在這些材料中，同時滿足能量密度和功率要求，811能夠設計最大的極片厚度，約100微米，而富鋰材料的極片厚度最低。截止電壓4.7V時，PACK的比能量由高到低排序為NMC111 > NMC622 >NMC811 > NCA ? LMRNMC，當截止電壓為 4.4 V 時，排序為NMC811 > NMC622 > NCA >NMC111 ? LMRNMC。表3所示，富鋰材料高的直流內阻限制了極片厚度的提升，從而能量密度表現沒有優勢。

圖5 純電動汽車電池極片最大厚度以及對應的pack比能量

插電式混合動力汽車電池要求高功率，假定電池包16kWh，10s脈沖功率要求120kW（7.5C），較高的功率要求進一步限制了極片厚度，如圖6（a）所示，811的極片厚度也需要降至80微米。在這些極片厚度設計下對應的PACK比能量如圖6（b）所示，在較高的截止電壓下，PACK的比能量由高到低排序為NMC811 > NMC622 > NMC111 > NCA ? LMRNMC。

圖6 插電式混合動力汽車電池極片最大厚度以及對應的pack比能量

表5匯總了截止電壓分別為4.2V和4.7V時，純電動汽車和插電式混合動力汽車電池pack的比能量和能量密度。

表5 電池pack的比能量和能量密度匯總

以上數據供大家參考，總體來看，811材料的綜合性能較優。但是，實際電池設計和制造過程可能比這更復雜，而且提高截止電壓需要材料和電解液等多方面進行優化。另外，安全問題更加需要關注，如果存在安全隱患，電池能量密度再高也無法應用。

參考文獻：

Cost of automotive lithium-ion batteries operating at high upper cutoff voltages，Journal of Power Sources: 2018-09-28，Shabbir Ahmed, Stephen E. Trask, Dennis W. Dees, Paul A. Nelson, Wenquan Lu, Alison R. Dunlop, Bryant J. Polzin, Andrew N. Jansen。

（封面圖片來源于潑辣有圖）