动力电池需求日增 锂电池正极材料研究取得进展

【中国环保在线技术前沿】“十三五”期间，国内动力电池总需求在170Gwh左右；电子数码产品对锂电池的需求增速比较稳定，预计消费电池总需求为100Gwh左右，加上储能消费电池总需求为30Gwh左右，合计超过300Gwh。这意味着在“十三五”期间，锂电池需求年平均增速将达到25%以上。正极材料技术的突破，将在未来为我国锂电池行业乃至新能源汽车行业的发展带来助力。
动力电池需求日增 锂电池正极材料研究取得进展

随着新能源汽车的快速发展，动力电池的需求也出现快速增长。作为新能源汽车动力电池关键原材料，锂电池材料在新能源汽车持续高增长发展的背景下，行业高景气度有望延续。另外，考虑到此前的补贴机制在2017至2020年期间，除燃料电池车以外，其他车型补助标准要适当“退坡”的背景，国内各大车企今年下半年很可能会加足马力冲刺今年的销售业绩，而这将进一步释放锂电池行业产能。

根据我国新能源汽车发展规划测算，“十三五”期间，国内动力电池总需求在170Gwh左右；电子数码产品对锂电池的需求增速比较稳定，预计消费电池总需求为100Gwh左右，加上储能消费电池总需求为30Gwh左右，合计超过300Gwh。这意味着在“十三五”期间，锂电池需求年平均增速将达到25%以上。

锂离子电池是当今社会移动电子设备的必要电源，由正极、负极、隔膜、电解液等组成，其关键性能指标（如倍率性能和循环寿命）由正极材料的电化学性能决定。其中正极材料是锂离子电池四大关键材料之一，约占电池制造成本的30%，是决定电池安全、性能、成本和寿命的关键材料。在锂电正极材料领域，全球正极材料的生产主要集中于中日韩三国，全球约50%的正级材料出货量集中于中国市场，约30%集中于日韩市场。

图1（a）新合成的样品和把样品分散后再滴到非晶硅上的XRD图谱。（b）图a的示意图。（c,d）LiFePO4的TEM图。（e）对应（d）的电子衍射花样。用高斯函数拟合LiFePO4晶粒沿着不同方向的尺寸统计数据。（f）a轴，12nm，（g）b轴，134nm，（h）c轴，280nm。

LiFePO4是公认的正极材料，为提高其电化学性能，人们长期致力于缩短锂离子的扩散距离，即减小[010]方向的尺寸。近的研究表明，电极由大量粒子组成，其电化学性能主要依赖于充放电过程中同时参与电化学反应的粒子（活化粒子）占总粒子数的比例。因此，如何获得具有高活化粒子数比例的LiFePO4是正极材料研究的关键问题。

图2（a）[100]取向，微波辅助合成以及[010]取向LiFePO4的形貌示意图。（b）在不同的充放电电流下，从C/2到C/100，分别由[100]取向、微波辅助合成、[010]取向的LiFePO4构成的三种电极的电压间隙。（c）在LiFePO4中Li化学势相对于Li分数变化的函数关系，其中存在一个大转变势垒（Δμb），定义为极大值和在不相混溶区中间的化学势之差。（d）[100]取向和微波辅助合成LiFePO4电极的恒电位间隙滴定及其拟合实验数据结果。

针对此问题，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室高性能陶瓷材料研究部王晓辉课题组在前期研究基础上（J. Phys. Chem. C 114: 16806 (2010);Phys. Chem. Chem. Phys. 14:2669 (2012); Cryst Eng Commun 16:10112 (2014)），通过创造极度缺水的酸性合成环境，在国际上制备出12nm厚的[100]取向LiFePO4超薄纳米片。电压回滞实验结果显示由该材料构成的电有迄今为止小的电压间隙（voltage gap），恒电位间隙滴定测试结果说明此电有高的活化率和转化率，这些结果表明由[100]取向LiFePO4超薄纳米片构成的电有高的活化粒子数比例。因而，该电有优异的倍率性能和循环寿命。在10C（60分钟/10=6分钟）充放电倍率下，循环1000次后能保持初始容量的90%。在20C充放电倍率下，容量仍可达到理论容量的72%。该工作为今后进一步提高锂离子电池倍率性能提供新的方法和视角，即不仅可以通过减小[010]方向的尺度来缩短锂离子的扩散距离，同时还可以通过调控[100]方向的尺寸来提高锂离子电池的活化粒子数比例来提高锂离子电池倍率性能。相关结果发表在1月13日出版的Nano Letters (16: 795-799)杂志上。该工作得到金属所“引进学者”项目和中科院青年创新促进会的支持。

根据我国新能源汽车发展规划测算，“十三五”期间，国内动力电池总需求在170Gwh左右；电子数码产品对锂电池的需求增速比较稳定，预计消费电池总需求为100Gwh左右，加上储能消费电池总需求为30Gwh左右，合计超过300Gwh。这意味着在“十三五”期间，锂电池需求年平均增速将达到25%以上。正极材料技术的突破，将在未来为我国锂电池行业乃至新能源汽车行业的发展带来助力。