近日，星恒電源股份有限公司（以下簡稱“星恒電源”）與天目湖先進儲能技術研究院有限公司（TIES）攜手，共同創立“雙子星聯合實驗室”，致力于進行“耐高溫、長壽命、高安全的錳酸鋰材料和電池技術開發項目”研究。
如今，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池在乘用車領域都擁有眾多的用戶。這兩種動力電池成為了市場主流，為何雙子星聯合實驗室還要聚焦錳酸鋰電池？《中國汽車報》記者帶著疑問，獨家專訪了TIES院長、中國科學院物理所研究員李泓。
優點和缺點都很突出
在人們的印象中，電動汽車普遍使用三元鋰或磷酸鐵鋰電池，在市場上很少看到配裝錳酸鋰電池的車型，造成這種現象的原因是什么？
李泓告訴記者，大家一直比較關注電動汽車的續駛里程，動力電池的能量密度越高，單次充電續駛里程越長。三元鋰電池的能量密度可達300Wh/kg，因此在乘用車上具有較為明顯的優勢地位。不過，由于需要使用鈷、鎳等金屬材料，導致它的成本高于磷酸鐵鋰電池。
隨著CTP、刀片電池技術的進步以及整車對電池包體積的優化，電動汽車配裝磷酸鐵鋰電池也能達到500～600公里的續駛里程，基本上能消除人們的里程焦慮。再加上其成本明顯低于三元鋰電池，而且安全性較好，近一段時間以來磷酸鐵鋰電池的產量和裝機量不斷擴大。
錳酸鋰電池的能量密度不及上述兩種動力電池，循環壽命、高溫儲存特性也存在短板。不過，它也有著突出的優點。“錳酸鋰電池的成本比磷酸鐵鋰電池低，快充性能表現良好，低溫性能也非常突出。在鋰電池的市場競爭中，大規模應用、取得優勢地位的關鍵還在于成本、安全等幾項因素。”李泓認為。
李泓告訴記者，錳酸鋰材料比磷酸鐵鋰的成本低20％～30％。另外，錳酸鋰電池的電壓較高，達到3.9V，磷酸鐵鋰電池為3.4V，三元鋰電池為3.7V。電壓高意味著電池PACK可以使用較少的電芯，錳酸鋰電池包既可以少裝電芯降低成本，又表現出體積優勢，PACK的成本明顯低于三元鋰或磷酸鐵鋰電池。
錳酸鋰電池的安全性則介于三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池之間。李泓指出，磷酸鐵鋰電池的安全問題主要來自負極，三元鋰電池的安全問題來自正極的因素更加突出。錳酸鋰是尖晶石結構，比層狀氧化物的穩定性好，磷酸鐵鋰中磷酸根中的氧更難析出，穩定性強于錳酸鋰電池。
錳酸鋰電池有改良空間
三元鋰電池能量密度的極限在哪里？目前，業界還沒有給出準確的答案。不過，人們對于磷酸鐵鋰的極限值基本已形成共識，約為170mAh/g，目前其潛力挖掘已達到165mAh/g。錳酸鋰的理論克容量約為144mAh/g，現有錳酸鋰電池的克容量為114～117mAh/g，其能量密度還有較大提升空間。
錳酸鋰電池的高溫穩定性不如磷酸鐵鋰電池，但也有改進辦法。據李泓介紹，他們在做固態電池的時候，把高鎳三元材料表面經過固態電解質處理，可以防止氧析出以及熱失控，降低表面氧化能力。對錳酸鋰材料進行改性，也有機會提高電池高溫穩定性；另外，在負極側進行固態化處理，也可防止析鋰及帶來的副反應。
改進不僅于此，隔膜技術提高也為錳酸鋰電池的進一步發展帶來了希望——中間的隔膜經過涂層后，熱收縮溫度能達到較高的水平，使安全性顯著提升。據悉，涂層的固態化可以改善正負極與隔膜的界面接觸，有利于防止正極錳溶解后向負極擴散，發生熱失控的幾率將進一步降低，或顯著提高熱失控的溫度。
李泓說：“錳酸鋰電池改性的第一步是實現準固態化，下一步要嘗試全固態。這些都實現后，錳酸鋰電池的安全性、耐高溫性能、循環性能將顯著提升。”他還告訴記者，在正極材料不變的情況下，從人造石墨負極到納米硅碳負極再到鋰碳復合負極，錳酸鋰電池電芯的能量密度能提升至240～250Wh/kg以上。未來，隨著電解質耐氧化電位的提高及固態電解質的引入，其正極材料還有可能進一步升級為放電電壓在4.8V，可逆容量在135mAh/g的鋰鎳錳氧（LiNi0.25Mn1.5O4）。這類材料與錳酸鋰晶體結構一致，含鎳量較低，直接與石墨匹配后的能量密度可以提升至240Wh/kg，未來與納米硅碳等復合，有望超過280Wh/kg。另外，還有一類高錳基正極材料，其材料可逆容量高達300mAh/g以上，只是目前在循環過程中存在電壓衰減明顯、倍率性能相對較差、循環性不到1000次以上、高溫脹氣等問題，需要進一步優化。
隨著技術瓶頸不斷突破，這些新材料一旦開發成功，將顯著推動錳基正極材料的應用，從資源可持續性、降低成本、提高綜合技術經濟性方面考慮，有望占據更大的市場份額。
或與三元材料“結合”出更大前景
國家電動乘用車技術創新聯盟技術委員會原主任、國家新能源汽車創新工程專家組原組長王秉剛曾告訴記者，日產聆風幾乎沒有過重大起火事故。記者查詢資料后發現，該款車使用錳酸鋰電池，與大多數電動汽車有顯著區別。
李泓告訴記者，日產聆風并不單純使用錳酸鋰電池，而是錳酸鋰與三元鋰電池混搭使用。兩種正極材料混用，不僅在汽車上存在，在其他使用場景，如消費電子產品、無人機上也常見。“錳酸鋰電池正極中摻雜三元材料，可以通過離子交換反應，抑制錳溶解，提升錳酸鋰正極材料的高溫和循環性能，同時提升能量密度。”他解釋說。
據悉，由于錳基電池有自己獨特的優勢，不僅國內多家企業涉足，AESC、LG化學、東芝、日立、LEJ等日韓企業也生產錳酸鋰電池或在三元鋰電池里摻雜錳酸鋰材料。在今年3月舉行的大眾汽車“電池日”活動上，該公司就明確表示，將大力研發高錳電池。
記者了解到，雙子星聯合實驗室的創建方之一星恒電源，曾由中科院物理所孵化，一直致力于錳酸鋰電池的開發，已成為國內最大的錳酸鋰電池研發與生產企業。星恒電源與TIES聯合成立實驗室，就是希望通過逐步導入納米固態電解質、納米硅碳負極、固態電解質復合隔膜等新技術，開發更耐高溫、長壽命、本質安全的錳酸鋰材料和電池技術，逐漸實現錳酸鋰電池從液態到準固態，到未來爭取實現全固態，從而顯著提升錳酸鋰電池的能量密度、循環壽命、安全性，同時發揮其低成本、高倍率、低溫性能好的優點。“這項技術如果研發成功，在電動輕型車和電動汽車動力電池領域將具有強大的市場競爭力。”李泓說。
“隨著新能源汽車補貼退坡直至取消，減少資源依賴，減少鋰電池中鈷和鎳的含量甚至完全不使用鈷和鎳，從而減低動力電池成本，增強市場競爭力成為企業考慮的頭等大事。錳酸鋰電池以其獨特的優勢受到人們的重視，與改性后的三元材料結合，既改善電池包性能，又能控制成本，預計未來市場份額可達25％以上。”李泓認為。
