|编者按
7月特斯拉Model 3开始量产后，一下子收到了60万台车的订单，并且每个月以1800多辆的速度在增加，以致于消费者等到爱车要1~2年之后了。为何Model 3如此受追捧？其秘密武器在于电池。
Model 3入门级车型北美地区定价为3.5万美元（约合24万元人民币），成本下降得益于电池领域的技术进步以及规模化生产降低成本。其中，特斯拉model3将采用“2170”电池，而不是传统的18650电池。2170电池的优势在于单体电芯更大，在同等电量情况下减少电池数量，并且续航里程达到350公里。特斯拉此前公布的电池成本低于190美元/kwh（约1.3元/wh），预计超级工厂的规模生产可以使成本降低30%-50%，达到123.5-133美元/kwh。
想让电动汽车续航更持久，能量密度（energy density）是电池最重要的性能参数之一，尤其对于动力电池，因为它直接决定了电动汽车的续航里程。
人们迫切需要具有更高能量密度、更高功率密度、更长寿命的可充放电电池，新能源汽车想要有竞争力，必须降低电池成本，现阶段商品锂离子电池的能量密度虽已达到200-220Wh/kg，但还不能满足要求。特斯拉首席技术官JB Straubel介绍新款Model3电池的能量密度比Model S（前款车型）提升了30%。
1、锂离子电池能量密度发展现状
美国能源部于2012年提出“EV Everywhere”项目，计划到2022年电池质量能量密度将达到250Wh/kg，体积能量密度达到400Wh/L，电池成本降低至现在的1/4。近年来，中国政府也高度重视储能新技术的研究开发，将开发高能量密度锂电池作为未来电池发展方向之一。
《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。
图1为1990-2025年锂离子电池能量密度发展路线图。由图可知，随着新材料的开发和工业制造水平的提高，锂离子电池的能量密度已大幅度地提高，能量密度的提升基本与年份成正比关系。但目前新材料的开发陷入瓶颈，而工业制造水平的提升空间也比较有限，所以未来电池能量密度的进一步提升存在一定的挑战和不确定性。
图1 1990-2025年锂离子电池能量密度发展路线图
2、主要电池生产厂家能量密度现状
比亚迪：
目前磷酸铁锂电池的单体能量密度为150Wh/kg，接下来的目标是将能量密度提升至160Wh/kg。除了磷酸铁锂电池，比亚迪也在同步开发三元锂电池，已经具备量产条件，目前能量密度达到200Wh/kg，计划到2018年三元锂电池比能量达到240Wh/kg，2020年达到300Wh/kg。
宁德时代新能源：
目前三元单体电芯的能量密度达到250Wh/kg。“十三五”期间，宁德时代将致力于高镍三元/硅碳电池研发。在电池材料上，宁德时代认为，将由磷酸铁锂/石墨、三元、高镍三元/硅碳再到固态锂空气金属演进。
国轩高科：
2016年国轩高科磷酸铁锂单体电池容量由22.5Ah升级至25Ah，能量密度提升至135Wh/kg；其他电池体系能量密度，实验数据可以达到280Wh/kg的水平。
三星SDI：
三星SDI的电池负责人透露公司动力电池能量密度现在可以实现250Wh/kg，同时，三星已经在300-350Wh/kg能量密度上的得到技术飞跃，预计在2023年前达到350Wh/kg。
由上可知，目前各大电芯厂家都布局了高比能量密度电池系统的项目，这将会影响整个电动汽车的电池市场份额，也会推动各个相关产业的发展和进步。
3、影响能量密度的主要因素
电池能量密度提高的关键在于核心材料的技术进步，主要包括正极材料、负极材料、电解质和隔膜这4大核心材料。
锂离子电池的活性储能材料为正负极材料，提升能量密度的办法对于正极来说是提高放电电位和放电容量，对于负极材料来说是高容量和低的平均脱锂电位。而正负极材料具有高的压密度则有利于高的体积能量密度的实现。电解质材料和隔膜材料作为电池的重要组成部分，需要与正负极材料进行较好地匹配。
(1)高能量密度正极材料
正极材料决定锂电池的成本、功率密度和能量密度等多项指标。图2为目前主要的正极材料市场份额，普遍使用的正极材料包括钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、镍钴锰酸锂(NCM)、磷酸铁锂(LFP)等，而高能量密度发展方向是高电压钴酸锂、高镍三元、镍钴铝酸锂(NCA)、尖晶石镍锰酸锂、富锂锰基材料等等。
图2 目前主要的正极材料市场份额
以高镍三元材料为例，国内众多厂商陆续推出动力型三元材料产品，然而都集中在低镍三元产品，随着镍含量的增加，材料的放电容量增大，但循环性能变差，生产难度提高，于是高镍产品仍然被优美科和日亚化学等国外公司所垄断。近年来，各个公司加快了高镍三元的研发力度，如宁波金和，当升科技等公司等都在积极筹备中。
(2)高能量密度负极材料
和正极材料一样，负极材料对锂离子电池能量密度的提高也起着关键作用。图3为目前主要的负极材料市场份额，可知负极材料主要还是以石墨材料为主，约占了91%的市场份额，其克容量对于目前正极材料来说，并不落后，但目前对负极的克容量的要求也越来越高，硅基负极材料因其较高的理论容量、环境友好、储量丰富等特点而很早就被考虑作为下一代高能量密度锂离子电池的负极材料。
图3 目前主要的负极材料市场份额
目前技术成熟度较高的硅基负极材料主要包括碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳复合材料和无定形硅合金等。硅基负极材料商业化应用主要需要解决两个问题：硅负极材料在储锂过程中获得高容量的同时就必然面临较大的体积变化，是非常迫切解决的问题。特斯拉发布的Model 3就采用了硅碳负极作为负极材料的电池，通过在人造石墨中加入10%的硅基材料，其克容量达到了550mAh/g，从而将电池能量密度提升至300Wh/kg。虽然在实际应用中，硅基负极未能完全撼动石墨材料在锂电负极领域的统治地位。但是随着技术的进一步发展，硅基负极材料在循环性能、生产成本等方面仍有提升空间，有望成为“锂电负极材料的新大陆”。
(3)隔膜和电解液的匹配
开发4.5V以上的高电压电解液己成为电解液企业研发的重点，以满足高电压电池材料的需求。在满足能量密度的同时，电解液的安全性能也存在一定的挑战，凝胶态电解质可能是未来的发展方向之一。隔膜的厚度降低可以在一定程度提高电池的能量密度，而此时安全性能有可能会降低，此时需要进行陶瓷层的涂覆来保证安全性能，使正负极材料和电解液充分发挥出它们的特性。
4、锂电核心材料的发展趋势
图4 锂电核心材料未来的发展趋势
目前锂离子电池主要应用于消费类电子产品、电动汽车、储能三个重要领域，随着应用领域的扩大对锂电核心材料的要求也越来越高。图4为锂电材料未来的发展趋势。正极材料目前主要围绕着高电压、高克容量展开，2025年后锂硫电池，锂空气电池有可能慢慢开始进入商业化；负极材料目前主要研究方向是硅基材料，2025年后锂金属负极的应用有可能大幅度提升电池的能量密度；电解质材料目前急需解决与高电压正极匹配的电解液，隔膜材料主要是PET、纤维素隔膜的开发应用，之后电解质和隔膜融合形成全固态锂电池，将能量密度可能提升至300-400Wh/kg。
电池能量密度的提升没有止境，电池也是一个复杂系统，需要每个材料都充分匹配才能发挥出各自的优势。随着其他电池技术的进步，或许会有新的材料，新的电池体系出现，也有可能颠覆目前以锂离子电池为主的格局。
作者简介
刘微，博士，在上海科学院下属上海市纳米科技与产业发展促进中心锂离子电池中试与研发服务平台从事电池设计和技术支持工作。
责任编辑：刘小玲
