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高能量密度电池制造关键技术

汇报人：

2024-01-21

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引言

正极材料制备技术

负极材料制备技术

电解液优化技术

电池设计与制造技术

高能量密度电池应用前景与挑战

01

引言

高能量密度电池是指单位质量或单位体积内储存的能量较高的电池，主要包括锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池等。

定义与分类

高能量密度电池经历了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池到锂离子电池的发展历程，能量密度不断提高。

发展历程

高能量密度电池通过正负极材料间的离子迁移实现电能的储存与释放，具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等特点。

工作原理与特点

正负极材料技术：正负极材料是影响电池性能的关键因素，高能量密度电池需要具有高比容量、高倍率性能、长循环寿命的正负极材料。

电解质技术：电解质是电池中离子迁移的媒介，对电池的安全性、循环寿命等性能有重要影响。高能量密度电池需要具有高离子电导率、宽电化学窗口、高热稳定性的电解质。

电池设计与制造技术：电池的结构设计、制造工艺和封装技术等对电池的性能和安全性有重要影响。高能量密度电池需要采用先进的结构设计、制造工艺和封装技术，以提高电池的能量密度、安全性和循环寿命。

电池管理技术：电池管理系统是保障电池组安全、稳定运行的关键，包括电池的充放电控制、状态监测、热管理等功能。高能量密度电池需要配备先进的电池管理系统，以确保电池在各种复杂环境下的安全、稳定运行。

02

正极材料制备技术

高比能量，良好的循环性能，但成本较高，安全性有待提高。

钴酸锂（LCO）

高比能量，较好的循环和安全性能，成本适中，是目前主流的正极材料。

三元材料（NCM/NCA）

低成本，高安全性，但比能量相对较低，主要用于动力电池。

磷酸铁锂（LFP）

低成本，安全性好，但比能量和循环性能有待提高。

锰酸锂（LMO）

将原料按一定比例混合，通过高温固相反应合成正极材料。该方法工艺简单，但产品一致性较差。

固相法

将原料溶解在溶剂中，通过控制反应条件合成正极材料。该方法可以制备出高性能、高一致性的产品，但工艺较复杂。

液相法

将原料在溶液中形成溶胶，再经凝胶化、干燥、热处理等步骤合成正极材料。该方法可以制备出纳米级的产品，具有优异的电化学性能。

溶胶-凝胶法

元素掺杂

通过向正极材料中引入其他元素，改善材料的电子结构和离子传输性能，提高材料的比能量和循环性能。

表面包覆

在正极材料表面包覆一层稳定的化合物，提高材料的界面稳定性和循环性能。

纳米化

将正极材料制备成纳米级颗粒，提高材料的比表面积和离子传输性能，从而提高材料的比能量和功率密度。

复合改性

将多种改性技术相结合，对正极材料进行综合改性，实现材料性能的全面提升。

03

负极材料制备技术

碳材料

包括石墨、硬碳等，具有高导电性、良好层状结构和稳定性，是目前商业化应用最广泛的负极材料。

硅基材料

具有高理论比容量和低嵌锂电位，但存在体积效应大、导电性差等问题，需通过纳米化、复合化等方法改进。

钛酸锂

具有优异的安全性和循环稳定性，但比容量相对较低，适用于对安全性要求较高的领域。

固相法

通过固相反应合成负极材料，包括高温固相法和低温固相法等，具有工艺简单、成本低等优点，但产物粒径较大、分布不均。

液相法

在液相体系中合成负极材料，包括溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法等，可制备纳米级、均匀分散的负极材料，但需要严格控制合成条件。

气相法

通过气相反应合成负极材料，如化学气相沉积（CVD）等，可制备高纯度、高质量的负极材料，但设备成本高、产量有限。

纳米化

复合化

表面包覆

掺杂改性

将负极材料与导电剂、粘结剂等复合，提高导电性、改善加工性能，同时缓解体积效应。

在负极材料表面包覆一层导电性良好或具有特殊功能的物质，如碳层、金属氧化物等，提高导电性、稳定性和循环性能。

通过向负极材料中引入其他元素或化合物进行掺杂改性，改善晶体结构、电子结构和电化学性能。

通过减小负极材料粒径至纳米级，提高比表面积和反应活性，改善电化学性能。

04

电解液优化技术

溶剂

提供离子传输的媒介，常用有机溶剂如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）等。

锂盐

提供锂离子源，如LiPF6、LiBF4等，影响电池的电导率、电化学稳定性等。

添加剂

改善电解液性能，如提高电导率、降低粘度、增强电化学稳定性等。

03

02

01

高电导率

宽电化学窗口

良好的热稳定性

与电极材料的兼容性

保证电池充放电过程中离子快速传输，降低内阻。

保证电池在高温甚至600度下仍能稳定运行，提高安全性。

适应电池高电压需求，提高能量密度。

避免与电极材料发生不良反应，保证电池循环性能。

新型锂盐开发

研究高电导率、高热稳定性的新型锂盐，如LiFSI等。

溶剂体系优化

通过调整溶剂种类和比例，改善电解液的电导率、粘度等性能。