【DT新材料】獲悉，2022年，我國鋰離子電池產(chǎn)量達(dá)750GWh，同比增長超過130%，行業(yè)總產(chǎn)值突破1.2萬億元。工信部有關(guān)負(fù)責(zé)人表示，2022年，鋰電在新能源汽車領(lǐng)域以及風(fēng)光儲(chǔ)能、通信儲(chǔ)能、家用儲(chǔ)能等儲(chǔ)能領(lǐng)域加快興起并迎來增長窗口期，2022年全國新能源汽車動(dòng)力電池裝車量約295GWh，儲(chǔ)能鋰電累計(jì)裝機(jī)增速超過130%。據(jù)預(yù)測，納米管導(dǎo)電劑市場2025年將增至32萬噸，三年增長近170%。本文，小編就來給大家盤點(diǎn)一下，未來最具潛力的10大鋰電池新材料。

01硅碳復(fù)合負(fù)極材料

數(shù)碼終端產(chǎn)品的大屏幕化、功能多樣化后，對電池的續(xù)航提出了新的要求。當(dāng)前鋰電材料克容量較低，不能滿足終端對電池日益增長的需求。

硅碳復(fù)合材料作為未來負(fù)極材料的一種，其理論克容量約為4200mAh/g以上，比石墨類負(fù)極的372mAh/g高出了10倍有余，其產(chǎn)業(yè)化后，將大大提升電池的容量。現(xiàn)在硅碳復(fù)合材料存在的主要問題有：

1、充放電過程中，體積膨脹可達(dá)300%，這會(huì)導(dǎo)致硅材料顆粒粉化，造成材料容量損失。同時(shí)吸液能力差。

2、循環(huán)壽命差：目前正在通過硅粉納米化，硅碳包覆、摻雜等手段解決以上問題，且部分企業(yè)已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。

相關(guān)研發(fā)企業(yè)：目前各大材料廠商紛紛在研發(fā)硅碳復(fù)合材料，如BTR、斯諾、星城石墨、湖州創(chuàng)亞、上海杉杉、華為、三星等。　國內(nèi)負(fù)極材料企業(yè)研發(fā)硅基材料的情況是：大部分材料商都還處于研發(fā)階段，目前只有上海杉杉已進(jìn)入中試量產(chǎn)階段。

02鈦酸鋰

鈦酸鋰電池是一種鋰離子電池，其正極材料為鈦酸鋰（Li?TiO?），負(fù)極材料為碳材料。相比于傳統(tǒng)的鋰離子電池，鈦酸鋰電池具有更高的安全性、更長的使用壽命和更快的充電速度等優(yōu)勢。?鈦酸鋰電池的正極材料鈦酸鋰具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，可以提高電池的安全性能。同時(shí)，鈦酸鋰還具有良好的電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性，能夠保持長期的高容量和長壽命。?鈦酸鋰電池的負(fù)極材料采用碳材料，例如天然石墨、人工石墨、碳纖維等，這種負(fù)極材料具有較高的比容量和較長的使用壽命。與此同時(shí)，鈦酸鋰電池的電解液通常采用無水有機(jī)溶液體系，例如碳酸二甲酯（DMC）和丙烯腈（AN）混合物，可以提高電池的充電速度和能量密度。?由于其安全性、長壽命和快速充電等優(yōu)點(diǎn)，鈦酸鋰電池被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)工具、太陽能電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力工具等領(lǐng)域。

近年來，國內(nèi)對鈦酸鋰的研發(fā)熱情較高，鈦酸鋰的優(yōu)勢主要有：

1、循環(huán)壽命長(可達(dá)10000次以上)，屬于零應(yīng)變材料(體積變化小于1%)，不生成傳統(tǒng)意義的SEI膜;

2、安全性高：其插鋰電位高，不生成枝晶，且在充放電時(shí)，熱穩(wěn)定性極高;

3、可快速充電。

目前限制鈦酸鋰使用的主要因素是價(jià)格太高，高于傳統(tǒng)石墨，另外鈦酸鋰的克容量很低，為170mAh/g左右。只有通過改善生產(chǎn)工藝，降低制作成本后，鈦酸鋰的長循環(huán)壽命、快充等優(yōu)勢才能發(fā)揮作用。結(jié)合市場及技術(shù)，鈦酸鋰比較適合用于對空間沒有要求的大巴和儲(chǔ)能領(lǐng)域。

相關(guān)研發(fā)企業(yè)：珠海銀隆、四川興能、湖州微宏動(dòng)力有限公司、深圳貝特瑞新能源材料股份有限公司、湖南杉杉新材料有限公司以及安徽和深圳周邊的多家規(guī)模較小的鈦酸鋰生產(chǎn)廠家。

03石墨烯

利用石墨烯所具有的超薄超輕、優(yōu)異電化學(xué)性能、較高比表面積、電子和離子傳導(dǎo)性能及特殊的二維單原子層結(jié)構(gòu)，可以將其應(yīng)用于動(dòng)力電池石墨烯負(fù)極復(fù)合材料、鋰電池正極導(dǎo)電劑和石墨烯功能涂層鋁箔等。極大地減輕電池重量從而降低整車質(zhì)量，延長電池使用壽命，大大提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和充電速度。

石墨烯直接作為負(fù)極材料石墨烯直接儲(chǔ)鋰的優(yōu)點(diǎn)：

1、高比容量：鋰離子在石墨烯中具有非化學(xué)計(jì)量比的嵌入、脫嵌，比容量可達(dá)700~2000 mAh/g；

2、高充放電速率：多層石墨烯材料的層間距離要明顯大于石墨的層間距，更有利于鋰離子的快速嵌入和脫嵌。石墨烯具有良好的導(dǎo)電性能，但其二維微觀結(jié)構(gòu)的易相互堆疊導(dǎo)致對石墨烯獨(dú)立電極材料的研究并不理想。主要表現(xiàn)為電池的倍率性能差、循環(huán)效率低等方面。

石墨烯自2010年獲得諾獎(jiǎng)以來，廣受全球關(guān)注，特別在中國。國內(nèi)掀起了一股石墨烯研發(fā)熱潮，其具諸多優(yōu)良性能，如透光性好，導(dǎo)電性能優(yōu)異、導(dǎo)熱性較高，機(jī)械強(qiáng)度高。石墨烯在鋰離子電池中的潛在應(yīng)用有：

作負(fù)極材料：石墨烯的克容量較高，可逆容量約700mAh/g,高于石墨類負(fù)極的容量。另外，石墨烯良好的導(dǎo)熱性能確保其在電池體系中的穩(wěn)定性，且石墨烯片層間距大于石墨，使鋰離子在石墨烯片層間擴(kuò)散通暢，有利于提高電池功率性能。由于石墨烯的生產(chǎn)工藝不成熟，結(jié)構(gòu)欠穩(wěn)定，導(dǎo)致石墨烯作為負(fù)極材料仍存在一定問題，如首次放電效率較低，約65%;循環(huán)性能較差;價(jià)格較高，明顯高于傳統(tǒng)石墨負(fù)極。

作為正負(fù)極添加劑：可提高鋰電池的穩(wěn)定性、延長循環(huán)壽命、增加內(nèi)部導(dǎo)電性能。

鑒于石墨烯當(dāng)前的批量生產(chǎn)工藝不成熟、價(jià)格高昂、性能不穩(wěn)定，石墨烯將率先作為正負(fù)極添加劑在鋰離子電池中使用。

04碳納米管

碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料，自身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，同時(shí)由于其脫嵌鋰時(shí)深度小、行程短，作為負(fù)極材料在大倍率充放電時(shí)極化作用較小，可提高電池的大倍率充放電性能。

在鋰電池的應(yīng)用中，碳納米管作為導(dǎo)電劑時(shí)，其獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅能夠有效地連接更多的活性物質(zhì)，出色的電導(dǎo)率也可以大幅降低阻抗。此外，較大長徑比的碳納米管具有更大的比表面積，與傳統(tǒng)導(dǎo)電劑 Super P、石墨相比，它只需很少的添加量便足以在電極內(nèi)組建高效的三維高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)并達(dá)到提升電池能量密度的目標(biāo)。因此，更深入的研發(fā)新型碳納米管導(dǎo)電劑是未來重點(diǎn)關(guān)注的方向。據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，到2023年碳納米管導(dǎo)電劑在中國鋰離子動(dòng)力電池市場的滲透率將達(dá)到 82.2%。

缺點(diǎn)：碳納米管直接作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)，會(huì)存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺(tái)不明顯等問題。如Ng等采用簡單的過濾制備了單壁碳納米管，將其直接作為負(fù)極材料，其首次放電容量為1700mAh/g，可逆容量僅為400mAh/g。

碳納米管在負(fù)極中的另一個(gè)應(yīng)用是與其他負(fù)極材料(石墨類、鈦酸鋰、錫基、硅基等)復(fù)合，利用其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性及大比表面積等優(yōu)點(diǎn)作為載體改善其他負(fù)極材料的電性能。

05富鋰錳基正極材料

高容量是鋰電池的發(fā)展方向之一，但當(dāng)前的正極材料中磷酸鐵鋰的能量密度為580Wh/kg,鎳鈷錳酸鋰的能量密度為750Wh/kg，都偏低。富鋰錳基的理論能量密度可達(dá)到900Wh/kg，成為研發(fā)熱點(diǎn)。

根據(jù)《2022-2027年中國富鋰錳基正極材料行業(yè)市場深度調(diào)研及發(fā)展前景預(yù)測報(bào)告》顯示，富鋰錳基正極材料是一種鋰離子電池正極材料，在“碳中和”背景下，全球新能源汽車市場滲透率快速提升，動(dòng)力電池需求旺盛，與現(xiàn)階段常見的鋰離子電池正極材料相比，富鋰錳基正極材料比容量高、續(xù)航能力強(qiáng)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮履茉雌囦囯x子電池正極材料?！　?/p>

行業(yè)分析人士表示，富鋰錳基正極材料放電比容量高，是目前已知鋰離子電池正極材料中放電比容量最高的產(chǎn)品之一，遠(yuǎn)高于市場中常見的三元材料與磷酸鐵鋰正極材料，可制造高能量密度動(dòng)力電池，提升動(dòng)力電池續(xù)航能力。并且富鋰錳基正極材料中的鈷、鎳含量僅為三元材料的3成左右，也可以不含鈷，進(jìn)一步降低其成本，其安全性能也高于三元材料電池，因此成為極具潛力的下一代鋰離子電池正極材料?！　?/p>

富鋰錳基正極材料具有放電比容量高、放電電壓高、能量密度高、成本低、安全性高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，未來市場潛力大，我國科研院所正在加快其技術(shù)研究步伐。目前富鋰錳基存在一系列問題：

1、首次放電效率很低;

2、材料在循環(huán)過程析氧，帶來安全隱患;

3、循環(huán)壽命很差;

4、倍率性能偏低。

目前解決這些問題的手段有包覆、酸處理、摻雜、預(yù)循環(huán)、熱處理等。富鋰錳基雖然克容量優(yōu)勢明顯，潛力巨大，但限于技術(shù)進(jìn)展較慢，其大批量上市還需時(shí)間。我國富鋰錳基正極材料技術(shù)研究正在不斷深入，當(dāng)現(xiàn)有瓶頸問題被解決后，有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

06動(dòng)力型鎳鈷錳酸鋰材料

一直以來，動(dòng)力電池的路線存在很大爭議，因此磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料等路線都有被采用。國內(nèi)動(dòng)力電池路線以磷酸鐵鋰為主，但隨著特斯拉火爆全球，其使用的三元材料路線引起了一股熱潮。

磷酸鐵鋰雖然安全性高，但其能量密度偏低軟肋無法克服，而新能源汽車要求更長的續(xù)航里程，因此長期來看，克容量更高的材料將取代磷酸鐵鋰成為下一代主流技術(shù)路線。

鎳鈷錳酸鋰三元材料最有可能成為國內(nèi)下一代動(dòng)力電池主流材料。國內(nèi)陸續(xù)推出三元路線的電動(dòng)車，如北汽E150EV、江淮IEV4、奇瑞EQ、蔚藍(lán)等，單位重量密度較磷酸鐵鋰電池有很大提升。

07涂覆隔膜

現(xiàn)階段我國隔膜市場以濕法隔膜為主，盡管濕法隔膜在性能上領(lǐng)先于干法隔膜，但是在實(shí)際的應(yīng)用中仍會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，為進(jìn)一步提升濕法隔膜產(chǎn)品的使用性能，各廠商持續(xù)加大對隔膜產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的研究，逐步形成了在原有隔膜的基礎(chǔ)上涂覆特定材料的涂覆工藝。

涂覆本質(zhì)上是一種改性手段，通過涂覆特定材料，改變基膜的性能，以此滿足更加多元化的需求，使用涂覆工藝可以有效的增強(qiáng)隔膜的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能。涂覆材料可以分為涂覆顆粒和涂覆溶劑兩種，其中涂覆顆粒包括有機(jī)和無機(jī)兩大類，無機(jī)材料主要有勃姆石、氧化鋁等，有機(jī)材料包含PVDF、芳綸等；涂覆溶劑則可以分為水性和油性兩種，油性涂覆均勻性和粘性優(yōu)于水性涂覆，成本比較高，海外電池廠更為青睞。目前隔膜市場中，無機(jī)涂覆隔膜的生產(chǎn)工藝更為成熟，且生產(chǎn)的產(chǎn)品可拉伸強(qiáng)度和熱收縮率更好，成本較低，因而無機(jī)涂覆隔膜占據(jù)涂覆隔膜市場的絕大部分市場份額。2019年以來，我國無機(jī)涂覆隔膜產(chǎn)品占總涂覆隔膜產(chǎn)品的比重在不斷增加，2021年我國無機(jī)涂覆在涂覆隔膜中的占比超過95%。

隔膜對鋰電池的安全性至關(guān)重要，這要求隔膜具有良好的電化學(xué)和熱穩(wěn)定性，以及反復(fù)充放電過程中對電解液保持高度浸潤性。

涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等膠黏劑或陶瓷氧化鋁。涂覆隔膜的作用是：

1、提高隔膜耐熱收縮性，防止隔膜收縮造成大面積短路;

2、涂覆材料熱傳導(dǎo)率低，防止電池中的某些熱失控點(diǎn)擴(kuò)大形成整體熱失控。

08陶瓷氧化鋁

在涂覆隔膜中，陶瓷涂覆隔膜主要針對動(dòng)力電池體系，因此其市場成長空間較涂膠隔膜更大，其核心材料陶瓷氧化鋁的市場需求將隨著三元?jiǎng)恿﹄姵氐呐d起而大幅提升。

用于涂覆隔膜的陶瓷氧化鋁的純度、粒徑、形貌都有很高要求，日本、韓國的產(chǎn)品較成熟，但價(jià)格比國產(chǎn)的貴一倍以上。國內(nèi)目前也有多家企業(yè)在研發(fā)陶瓷氧化鋁，希望減少進(jìn)口依賴。

氧化鋁是一種高硬度的化合物，熔點(diǎn)為2054℃，沸點(diǎn)為2980℃，在高溫下可電離的離子晶體。氧化鋁作為一種無機(jī)物，具有很高的熱穩(wěn)定性及化學(xué)惰性，是電池隔膜陶瓷涂層的很好選擇。其優(yōu)點(diǎn)有：

1、循環(huán)壽命長：降低了循環(huán)過程中的機(jī)械微短路，有效提升循環(huán)壽命；

2、高倍率性：高純納米氧化鋁在鋰電池中可形成固溶體，提高倍率性和循環(huán)性能；

3、高純納米氧化鋁還具有非常優(yōu)良的導(dǎo)熱性能：電池溫度過高時(shí)，這種材料可以很好地進(jìn)行熱量傳導(dǎo)，從而解決了PP/PE材料導(dǎo)熱性差的問題；

4、良好浸潤性：高純納米氧化鋁粉末具有良好的吸液及保液能力；

5、高純納米氧化鋁材料還具有優(yōu)良的阻燃性：這是因?yàn)檠趸X材料本身就是非常優(yōu)良的阻燃劑，即使因?yàn)闇囟冗^高，達(dá)到燃燒零界點(diǎn)，該材料的良好的阻燃性能會(huì)阻止大范圍的燃燒甚至爆炸；

6、電流過大時(shí)，能夠阻斷電流：隨著鋰離子電池容量的不斷提高，內(nèi)部蓄積的能量越來越大，內(nèi)部溫度會(huì)提高，有可能出現(xiàn)溫度過高使負(fù)極隔膜被融化而造成短路。

09高電壓電解液

提高電池能量密度乃鋰電池的趨勢之一，目前提高能量密度方法主要有兩種：一種是提高傳統(tǒng)正極材料的充電截止電壓，如將鈷酸鋰的充電電壓提升至4.35V、4.4V。但靠提升充電截止電壓的方法是有限的，進(jìn)一步提升電壓會(huì)導(dǎo)致鈷酸鋰結(jié)構(gòu)坍塌，性質(zhì)不穩(wěn)定;另一種方法則是開發(fā)充放電平臺(tái)更高的新型正極材料，如富鋰錳基、鎳鈷酸鋰等。

正極材料的電壓提升后，需要與之配套的高電壓電解液，添加劑對電解液的高電壓性能起到關(guān)鍵性作用，其成為近年來的研發(fā)重點(diǎn)。

隨著鋰離子電池向高能量密度方向的不斷發(fā)展，高電壓電解液方面的研究也越來越深入。目前，新型高電壓電解液有砜類、腈類、離子液體和氟代類電解液等，這些新體系電解液在一定程度上可滿足高電壓的需求。

1、砜類電解液

砜類電解液成本低廉，電化學(xué)窗口超過5V，是潛在的鋰離子電池高電壓電解液。砜類與碳酸酯類作為共溶劑后，可優(yōu)化砜類與 正極材料的兼容性，也為開發(fā)高電壓電解液提供了新的思路。砜類溶劑存在熔點(diǎn)較高，多數(shù)砜類在室溫下呈現(xiàn)為固態(tài)，以及與正極材料相容性不好等問題，解決好這些問題，砜類電解液的應(yīng)用將更廣泛。

2、腈類電解液

腈類物質(zhì)擁有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如：熱穩(wěn)定性高，陽極穩(wěn)定性好、液態(tài)溫度范圍寬等。最突出的特點(diǎn)為電化學(xué)窗口寬，單腈類抗氧化穩(wěn)定性可達(dá)到7V，在通常5V級(jí)高電壓鋰離子電池中很難發(fā)生分解。腈類溶劑比碳酸酯類溶劑在高電壓下更穩(wěn)定，并且在低溫下?lián)碛懈錾男阅堋５c石墨或金屬鋰等負(fù)極的兼容性不良，會(huì)在負(fù)極聚合，生成的聚合物會(huì)阻礙鋰離子的脫嵌。因此，如何解決好其與負(fù)極材料的相容性，揚(yáng)長避短，是其應(yīng)用于鋰離子電池高電壓電解液的必經(jīng)之路。

3、氟代類電解液

氟原子的電負(fù)性比較強(qiáng)，極性較弱，氟代溶劑的化學(xué)穩(wěn)定性較優(yōu)異，在高電壓電解液應(yīng)用方面具有很大的潛力，如何研發(fā)具有優(yōu)良性能的氟代類電解液，是科研工作者的目標(biāo)。

4、離子液體

離子液體具有揮發(fā)性低、阻燃性能優(yōu)異、電化學(xué)窗口寬等特性，近來其研究已經(jīng)很廣泛，其可以在高電壓下提高鋰離子 電池的穩(wěn)定性。不足的地方是使用該離子液體后電池庫侖效率僅約 95%，容量衰減較快，因此庫侖效率還需提高，真正實(shí)現(xiàn)高效率、高容量保持率。為改善其不足，可將離子液體與常 規(guī)溶劑作為共溶劑，提升鋰離子電池在高電壓下的性能。

雖然離子液體可應(yīng)用在高電壓鋰離子電池，但是其高的黏度、低的電導(dǎo)率導(dǎo)致電池循環(huán)和倍率性能降低；其次，其浸潤性不好，致使與電極的相容性也較差；再者，離子液體熔點(diǎn)高，使得在低溫下的性能下降。離子液體真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用化還需更多的研究。

10水性粘結(jié)劑

目前正極材料主要使用PVDF做粘結(jié)劑，用有機(jī)溶劑進(jìn)行溶解。負(fù)極的粘結(jié)劑體系中有SBR、CMC、含氟烯烴聚合物等，也會(huì)用到有機(jī)溶劑。在電極片制作過程中，需要將有機(jī)溶劑烘干揮發(fā)，這既污染環(huán)境，又危害員工健康。干燥蒸發(fā)的溶劑需用特殊的冷凍設(shè)備收集并加以處理，且含氟聚合物及其溶劑價(jià)格昂貴，增加了鋰電池的生產(chǎn)成本。

PVDF的剛性、硬度、抗蠕變性能尤其突出。它的加工和成型等特性大大優(yōu)于PTFE，是最強(qiáng)韌的氟塑料。PVDF的耐輻射和力學(xué)性能大大改善，拉伸強(qiáng)度可達(dá)50MPa，幾乎為PTFE的兩倍。它不僅加工特性優(yōu)良，而且對金屬表面的附著力大大提高，使其與金屬材料的旋轉(zhuǎn)內(nèi)襯壽命、可靠性大大提高。它的碳氟分子鏈中C-F鍵的鍵距小，鍵能低，這種短鍵性質(zhì)的結(jié)構(gòu)與氫離子形成最穩(wěn)定最牢固的結(jié)合．具有很強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊性能，而且在極端嚴(yán)酷與惡劣的環(huán)境中有很高的抗褪色性與抗紫外線性能。

它的熔點(diǎn)較低(170℃左右)，加工性能良好，成型方便，可用一般熱塑料的加工方法，比如注射、模壓、擠出、吹塑等工藝成型 ，是氟塑料中唯一能制成硬管的材料。它抗沖擊強(qiáng)度高，耐磨耗，是氟塑料中最強(qiáng)韌的。它可在-62℃—150℃溫度范圍內(nèi)長期使用，具有較高的耐熱性，突出的耐氣候老化性。它的碳氟分子鏈中C-F鍵的極距大，是一種有著極高極性的高聚物，介電性能優(yōu)異。這些優(yōu)良性能應(yīng)用于汽車、航空、機(jī)器人的電線電纜絕緣材料及傳輸特殊液體價(jià)質(zhì)的管道襯里涂料。

只不過SBR/CMC粘結(jié)劑在加工過程中易粘輥，且難以用于正極片制備，使用范圍受到限制。出于環(huán)保、降低成本、增加極片性能等需求考量，水性粘結(jié)劑的開發(fā)勢在必行。

編輯：黃飛

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