锂电池技术如何推动可持续发展：极化电池解决方案

绿色工程峰会其目标是讨论许多致力于减少碳足迹的技术的行业的现状、挑战和未来道路。特别关注可再生能源发电、使用宽带隙 (WBG) 半导体进行更有效的能源转换、储能系统的研究和开发、在农业中使用电子设备进行实时控制，以及环境监测和建模。

本文总结了 Polarium 高级电池技术工程师 Henrik Lundgren 博士的演讲。演讲的题目是“锂电池技术如何推动可持续发展”。Polarium 是一家瑞典制造商，生产用于电信、商业和工业等各种应用的储能解决方案。

Lundgren 博士首先强调了当今世界在移动电子产品等日常应用中高度依赖电池这一事实。随着我们迈向更环保、更可持续的未来，这种依赖将变得更加强烈。三个关键应用领域包括：

1. 5G通信网络/设备。据估计，这十年的复合增长率为 81 倍。不仅是人，还有电器、开关、监控设备等的更大连接性导致更多的能量存储需求，不仅用于为这些设备供电所需的额外能量生成，还用于为这些设备充电以供其使用在移动应用程序中。此外，这些网络所需的数据中心服务器都需要备用电池

2. 电动汽车 (EV)。随着世界远离化石燃料动力运输，电动汽车正在迅速增长。电池系统及其充电基础设施是这一转变的关键必要组成部分，随着成本的提高，估计表明电动汽车的使用量在这十年中将增长 230 倍

3. 可再生能源系统。能量存储系统允许在一天中充足的时间捕获这种能量，因此允许在需要时使用它。电池系统不仅对于大型公用事业发电场所至关重要，而且对于更分散的微电网和拥有自己太阳能发电能力的家庭来说也是必不可少的。预计从现在到 2035 年，太阳能和风能发电量将增长 5 倍。

锂离子电池

锂离子电池 (LIB) 是 Polarium 储能产品线的核心。

与传统铅酸电池 (LAB) 相比，LIB 的一些优势如下所列：

1. 锂 (Li) 是已知最轻的金属，具有最高的电负性 (-3.05 V) /还原电位，因此非常适合用于电池。LAB 的重量能量密度约为 30 Wh/kg，与电池水平的现有 LIB 相比，约为1/10 。在实践中，这转化为具有相同性能(额定电压和容量)的 LIB 模块，但重量和体积分别约为LAB等效产品的1/5和 1/3

2. 与 LAB 相比，LIB 具有更深的放电容限(95% 对 50%)。此外，LAB 在电池容量与其放电电流之间的关系明显更强，这意味着在更高的电流下，LAB 提供的容量将低于其额定水平。这种关系在 LIB 中更为平坦

3. 为循环使用而优化的 LAB 无法与 LIB 的循环寿命竞争，这意味着它们必须比 LIB 更频繁地更换。LIB 可以承受 6000 次循环和 15-20 年的日历寿命，这比 LAB 所能达到的要长得多。这可以抵消 LIB 的较高成本

4. LIB 可以承受比 LAB 更高的温度(140F 对 80F)，这意味着无需/降低冷却要求

5. LIB 的周转充电效率比 LAB 高得多(97% 对 75%)

6. 其他优势包括更快的充电时间和更长的 LIB 充电间隔时间，以及 LIB 更高的电池电压(3.7 V 对 2.0 V)。

通常位于多孔塑料隔板内的电解质通常是有机溶剂，例如LiPF 6。可以改变电极上的材料和成分以获得期望的特性，如下面更详细讨论的。

· 正极：这也称为阴极。为此可以使用两种基本化学物质：

1. 镍基。这些主要由 Li-镍 (Ni)-锰 (Mn)-钴 (Co) 氧化物(NMC 或 LiNi x Mn y Co z O 2)和 Li-Ni-Co-铝 (Al) 氧化物(NCA 或 LiNi x Co z Al z O 2)。NMC 中的元素比例 (x: y: z) 可以针对能量、功率或循环寿命进行优化。NMC 电池具有与 NCA 相似的特性，尤其是高镍含量的 NMC 变体。NMC 电池的能量密度在过去几年迅速增加，最先进的电池在 2020 年达到约 270 Wh/kg。较高的 Ni 含量增加了能量密度，但以安全和循环寿命为代价。这是一个积极研究的领域，努力将镍比率从 1:1:1 提高到 8:1:1，同时不影响安全性。NCA是目前所有商业化正极材料中能量密度最高的。有限的放电深度 (DOD) 和较低的最大充电状态 (SOC) 可以最大限度地延长 NMC 和 NCA 电池的寿命，例如，与 100% 的 DOD 相比，80% 的 DOD 可以具有显着更高的循环寿命。NMC 和 NCA 都使用有价金属，因此回收电池是总体成本等式的关键部分。随着 LIB 的回收变得更容易获得，这将对基于 NMC 和 NCA 电池的电池具有成本效益

2. 以铁为主。最常见的基于铁 (Fe) 的化学物质是磷酸铁锂(LFP 或 LiFePO 4)。它的材料成本更低，更安全，并且使用更广泛可用的材料。然而，如图 4 所示，LFP 的能量密度远低于镍基电池。

3. LFP 电池还具有相对于其 SOC 水平的平坦开路电压曲线。这使得电池平衡和 SOC 水平确定更加困难。LFP 电池还具有较高的自放电率，因此不太适合对存储时间要求较长的应用。在回收方面，由于使用的金属没有价值，与镍基电池相比，LFP 电池的回收价值要差得多。

· 负极：这也称为阳极。这里有两个主要变体：

1. 石墨。这是LIB中最常见的负极。通常使用天然和合成石墨的混合物。石墨提供良好的循环寿命和高能量密度，但它的电极电位接近金属锂的电极电位，在充电过程中存在锂金属枝晶短路的风险。在低温和高充电率下风险增加

2. 硅 (Si)。Si的理论容量是石墨的10倍。缺点是体积膨胀导致循环寿命降低。由于这个原因，纯硅今天不可行，LIB 可以使用掺杂有 2% 纳米硅颗粒的石墨电极，但研究继续将其增加到 20% 的范围。与纯石墨电池相比，含 Si 的 LIB 在较低的电池电压(NMC 电池 < 3 V)下具有更大的容量。

LIB 的安全注意事项

LIB 电池所含的化学能是电能的 5 到 10 倍，因此在某些条件下具有危险性。这些包括过温、过充电、过放电和短路。电池管理系统 (BMS) 对于监控和预防这些事件至关重要。BMS，在电芯制造过程中使用优质材料，以及严格的测试和质量标准，可以确保电芯使用安全。

电池的一些未来趋势

1. 固态电池。这用陶瓷或聚合物材料代替了液体电解质，并有望比当前的 LIB 电池高出 50% 的能量密度，同时大大提高了安全性。这些电池还可以与锂金属负极配对，进一步提高其性能

2. 钠 (Na) 离子电池。这些电池的制造成本要低得多，但目前的电池能量密度要低得多。该细胞仍处于早期研究阶段。

预计这两项努力都需要 5-10 年的发展才能大规模部署，这使得 LIB 在可预见的未来成为主要的储能解决方案。