被譽(yù)為“工業(yè)4.0”中國版的《中國制造2025》已經(jīng)成為媒體和業(yè)界的“寵兒”，要是不知道一點(diǎn)出門還還真不好跟人打招呼。與此同時(shí)還推出了《中國制造2025重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線圖》，不少新材料都做了相應(yīng)的規(guī)劃。其中，對于鋰電池做了如下展望：到2025年能量型鋰電池能量密度大于300Wh/kg，功率型鋰電池比功率4000W/kg，動(dòng)力電池<1.5元/Wh ,儲(chǔ)能電池<1.0元/Wh。而對于新能源汽車，要求動(dòng)力電池單體能量密度達(dá)到400Wh/kg,成本降至0.8元/Wh，系統(tǒng)成本1元/Wh?；蛟S很多人也搞不清這些數(shù)據(jù)到底意味著什么，難不難達(dá)到。成本這個(gè)事難說，身為技術(shù)人才，我們說道說道鋰離子電池的能量密度。

鋰離子電池主要有四大塊：正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解質(zhì)，各自作用不同。不過，在影響鋰離子電池的能量密度上，四個(gè)小伙伴的能耐可不是一碗水端平的。

通常，決定鋰離子電池能量密度的是正極材料，所以我們通常也將正極材料作為電池的分類。那么，常用于純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，與《中國制造2025》的目標(biāo)有什么差距呢？

其實(shí)，差距還是很大的。

我們從電動(dòng)汽車的續(xù)航能力上也能看出端倪來。如果動(dòng)力電池單體能量密度達(dá)到400Wh/kg，一輛電動(dòng)車如果裝載500Kg電池，也就是200Kwh（如果組成電池包的話，能量密度會(huì)下降一些）。特斯拉續(xù)航能力500公里的版本是85Kwh。這樣的話，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)汽車跑個(gè)上千公里沒問題。兩相比較，市面上普遍100-200公里的電動(dòng)汽車，差距不是一星半點(diǎn)。

既然目標(biāo)提出來了，前面又提到正極材料才是提升能量密度的中流砥柱。那哪種材料才有可能拯救電動(dòng)汽車的“里程焦慮”呢？經(jīng)粗略計(jì)算，大概如下

乍看之下，以上幾種材料在實(shí)際能量密度方面都遠(yuǎn)超《中國制造2025》中的400Wh/kg，但我們不能混淆一個(gè)概念，這個(gè)數(shù)值的定義前提是電池單體。而表中的數(shù)值為正極材料，即假設(shè)電池全部由正極材料組成，它的能量密度才能達(dá)到表中要求。

我們以最常用的18650電池為例，松下和LG標(biāo)稱容量在2000-2500mAh的同類型電池質(zhì)量一般在46g左右，其中活性物質(zhì)質(zhì)量約15g左右，也就是說上面的所有數(shù)據(jù)要乘以三分之一。這么一來，有可能達(dá)到400Wh/Kg要求的也只有三元材料了。

不過，市面上能量密度最高的鋰離子電池，已經(jīng)是三元材料了，而用于電動(dòng)汽車的，往往在130-160Wh/kg左右。差距還是很大！

現(xiàn)在，要想提高單體電池的能量密度主要有三個(gè)辦法：

（1）減少除活性物質(zhì)之外的組分的質(zhì)量和體積；

（2）尋找理論容量更高的活性物質(zhì)，并使其實(shí)際容量盡可能達(dá)到理論值；

（3）在有限的體積內(nèi)塞入盡可能多的正極材料。

第一條不屬于咱們材料人的范疇，假設(shè)它不可達(dá)到，我們來討論在使用三元材料的的前提下，能否通過第二三條的改進(jìn)而盡可能的達(dá)到《中國制造2025》的要求。

常見的三元材料鎳鈷錳三元（NCM）和鎳鈷鋁三元（NCA）的化學(xué)式為：Li(Ni1-x-yCoxMny)O2或Li(Ni1-x-yCoxAly)O2。NCA源自鎳酸鋰（LiNiO2），這種材料容量較高但是穩(wěn)定性很差，通過摻雜Al和Co后增加了其穩(wěn)定性，但安全性能還是很差，特斯拉汽車就是使用這種電池。其中NCA的高溫產(chǎn)氣問題一直是它的一個(gè)限制因素，還有就是Al3+ 不變價(jià)，使其沒有電化學(xué)活性。

NCM屬于主流的三元材料，它可以看成是幾種正極材料組成的固溶體（見下圖），其中x:y:z的值可以根據(jù)需求調(diào)整，目前較成熟的成分有811、622、433、442、333、532等。

然后，我們來詳細(xì)討論下不同成分的NCM三元材料的理論容量是怎樣的。注意，下面我要裝學(xué)霸啦！

咱們拿這個(gè)圖來討論，x,y,z的搭配可以很多，如上圖的811、622、433等。Co含量即x大時(shí)，能有效穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、提高電導(dǎo)率并改善循環(huán)性能，但x太大會(huì)導(dǎo)致實(shí)際容量降低。Mn含量即z增大時(shí)，可以降低成本，改善安全性，但z太大時(shí)，電導(dǎo)率會(huì)降低同時(shí)降低實(shí)際容量（先不考慮y的影響）。聰明如你，會(huì)發(fā)現(xiàn)x都不小于z，這是怎么回事呢？當(dāng)x小于z時(shí)，它就是另一種比較特殊的材料，三元富鋰。富鋰是什么意思，就是鋰元素比較多，z越大，鋰含量就越大，直接結(jié)果就是理論容量升高，那么實(shí)際容量如何呢？我們以Ni/Co/Mn比例為2：2：6為例，此時(shí)這種物質(zhì)被看作四種物質(zhì)的固溶體，除了上圖中的三種還有一種Li2MnO3，用固溶體的形式寫成化學(xué)式就是0.2LiNiO2+0.2LiCoO2+0.2LiMnO2+0.4Li2MnO3，寫成統(tǒng)一的化學(xué)式就是Li1.4Ni0.2Co0.2Mn0.6O2.4，計(jì)算可得，此時(shí)理論容量為358.8mAh/g。這么說把Mn的含量一直增加就可以咯！首先，當(dāng)z為1是，Li含量最高，為2。但是此時(shí)這種材料就變成了完全的Li2MnO3，它是不能作為電極材料的。目前能達(dá)到的最高值是多少呢？Li系數(shù)為1.8，此時(shí)的理論容量為433.1mAh/g，當(dāng)工作電壓以4.6V計(jì)算時(shí)，理論能量密度為1992Wh/Kg。但理想和現(xiàn)實(shí)的差距是巨大的，Mn含量越多，Li2MnO3就越多，這種材料的作用就是補(bǔ)充另外三種材料在循環(huán)中損失的鋰，另外在循環(huán)過程中Li2MnO3中的Mn離子會(huì)溶解，多次循環(huán)后，電極材料結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生坍塌，實(shí)際容量會(huì)降低。還有就是Mn含量越高，倍率性能越差，這直接限制了這種材料在動(dòng)力電池上的應(yīng)用。目前文獻(xiàn)上能達(dá)到的實(shí)際容量約為300mAh/g，能量密度1380Wh/Kg，做成單體電池大概是460Wh/Kg。不過，這個(gè)數(shù)據(jù)其實(shí)也不容易達(dá)到。一般來說，實(shí)驗(yàn)室能達(dá)到的容量在260mAh/g附近，這還得是在充放電非常慢的情況下，一旦快速充放電，性能就會(huì)急劇衰減，這樣的性能根本不能滿足產(chǎn)業(yè)化的要求。

隨著2001年共沉淀法的興起，三元材料開始嶄露頭角，不僅通過取代鈷元素降低了成本，其還表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能和高電壓優(yōu)勢。我們從特斯拉的車型中就能看出三元材料的成本優(yōu)勢，Tesla首款車型Roadster推出時(shí)使用的是18650鈷酸鋰電池，但其第二款量產(chǎn)車型ModelS使用的是8000多節(jié)松下定制的三元材料電池，，比Roadster高出一千多節(jié)，但是成本卻下降了30%，這正是得益于三元電池較好的成本控制。但是快過去15年了，為什么三元還是沒能取代鈷酸鋰呢？一部分原因是：產(chǎn)業(yè)化的坎坷！

其中一點(diǎn)，三元材料對形貌要求比較高，在壓實(shí)過程中會(huì)出現(xiàn)顆粒破碎的情況，導(dǎo)致活性材料與粘結(jié)劑導(dǎo)電劑等接觸不緊密，進(jìn)而引起極化，損害電化學(xué)性能。如果為了保持顆粒形貌減小壓實(shí)的壓力，就會(huì)造成壓實(shí)密度低，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？就難以完成第三條的解決方案，即在有限的空間內(nèi)無法塞入更多的活性材料，體積能量密度上不去啊。另外，安全性能一直是限制其大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)難題。

目前這種唯一可能滿足《中國制造2025》要求的材料，研發(fā)過程非?？部?，產(chǎn)業(yè)化過程又充滿艱辛。在實(shí)驗(yàn)室得到性能優(yōu)良的三元材料需要多久，將其產(chǎn)業(yè)化又需要多久，我們還有十年。（來源：材料人）