結構與功能一體化材料是全球領先的技術行業之一。隨著技術的不斷發展，人們對微觀視野下物質的結構和功能的研究，加速了人們按照意圖合理的進行材料設計，以獲取最佳的性能要求。
一個頗有趣的例子便是鋰離子電池，2019年諾貝爾化學獎2019年諾貝爾化學獎頒給了約翰·B·古迪納夫（John B. Goodenough）、M·斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham）、吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他們對發明鋰離子電池做出的貢獻。用諾貝爾委員會的話說，它能夠“創造一個可充電的世界”。
隨著材料設計、制造工藝的持續突破，對不斷提高鋰電池能量密度的追求一直是電池技術進步的主要推動力。本文以鋰離子電池四大材料性能要求為切入點，概述了鋰離子電子材料性能要求、技術路線及發展趨勢。
鋰離子電池四大材料包括正極材料、負極材料、隔膜材料、電解液。其他還包括電池組材料、外殼材料等。
名稱 | 類別 | 技術發展趨勢 | 成本占比 | 代表企業 |
正極材料 | 磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰以及三元材料。 | 高鎳三元正極材料（NCM622 和 NCM811 等）是國內正極材料發展的趨勢，同 時國內 NCA 材料未來存在技術上突破的可能。 | 約40% | 杉杉股份、容百科技、當升科技、天津巴莫、廈門鎢業。 |
負極材料 | 石墨化碳材料，硅碳負極材料 | 負極材料主流技術為人造石墨，未來硅碳負極材料有替代趨勢。 | 約20% | 人造石墨：天津紫宸、杉杉股份、東莞凱金；天然石墨：硅碳負極材料：貝特瑞、杉杉股份、江西正拓、深圳斯諾。 |
隔膜材料 | 無機陶瓷復合膜、陶瓷涂層復合隔膜、有機涂層復合膜、有機／無機共混涂層復合膜。 | 濕法隔膜技術一般用于制造高端隔膜產品，同時順應動力電池高能量密度的要求，未來或將成為技術主流。當前的涂覆技術主要為陶瓷（氧化鋁、勃姆石）等，通過陶瓷涂覆隔膜大幅提高濕法隔膜的熱穩定性、降低高溫收縮性等，從而使隔膜的性能更加優良。 | 約8% | 濕法隔膜：上海恩捷、蘇州捷力；干法隔膜：星源材質、中興新材。 |
電解液 | 數碼電解液、動力電解液、儲能電解液。 | 電解液環節暫不存在技術路徑的風險，主要差別體現為添加劑的配方不同。 | 10% | 天賜材料、江蘇國泰華榮 |
1.正極材料：三元材料是主流，高鎳三元是趨勢
正極材料主要是為電池提供鋰離子，它決定了電池的能量密度、壽命、安全性、使用領域等，其成本占整個動力電池的 40%，是鋰離子電池的核心關鍵材料。影響動力電池能量密度最主要的因素就是正負極材料的比能量，正負極比能量越高，在其他條件不變的情況下動力電池的能量密度越高。典型的正極材料結構及構效關系如下：
圖1 典型正極材料三維結構
目前市場上常用的正極材料主要包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰以及三元材料，其中三元材料分為鎳鈷錳 NCM 以及鎳鈷鋁 NCA。鎳鈷錳材料根據Ni、Co和Mn三種元素配比不同進行分類，主要包括NCM333、NCM523、NCM622 和NCM811，配比不同性能不同，其中鎳的含量越高，比能量越大。由于三元材料含有鈷等貴金屬，因此成本相對較高。四種常用鋰離子電池正極材料性能對比如下：
通過上表性能參數對比，比能量高而熱穩定性相對較弱的三元材料技術路線有望在后期成為技術主流。相比其它正極材料，三元材料擁有更高的體積能量密度，這對于電池的小型化有重要作用。目前三元材料已成為我國正極材料增速最快和占比最大的材料。
在三元材料體系中，高鎳三元正極材料（NCM622和NCM811等）是國內正極材料發展的趨勢，同時國內NCA材料未來存在技術上突破的可能。
2.負極材料：人造石墨是主流，硅碳材料是趨勢
負極材料是在電池充放電過程中，作為鋰離子和電子的載體，起著能量的
儲存與釋放的作用。負極材料在動力電池成本中約占20%。人造石墨已成負級材料目前發展的主流方向。負極材料最主要使用的是石墨化碳材料，其中天然石墨、人造石墨都有了較大規模的產業化應用；同時新型硅碳復合材料也正在走向產業化應用。
圖2 鋰電池硅碳負極材料SEM圖片
從目前負極材料技術發展趨勢來看，硅碳負極材料是下一代技術方向，在產業高能量密度的政策背景下，理論比能量高達 3500mAh/g 以上的硅碳負極材料應運而生，與石墨負極材料相比，硅碳負極材料嵌鋰能力強。為了盡可能提升電池的能量密度，目前國內眾多企業已開始加大對硅碳負極材料的研發與應用，部分公司已實現硅碳復合材料的量產。
國內負極材料廠商在硅碳負極材料領域的布局情況及進展如下：
公司名稱 | 產能現狀 | 規劃布局 |
貝特瑞 | 2013 年獲三星認證，首次實現量產，惠州貝特瑞具備 1000 噸/年的產能。 | 1000 噸/年的產能在建。 |
杉杉股份 | 2017 年完成中試。 | 2018 年實現量產，達到 2000 噸/年的產能。 |
璞泰來 | - | 計劃投資 50 億元在江蘇溧陽建隔膜、負極材料等項目，包括與中科院物理所合作量產硅碳負極材料項目。 |
江西正拓 | 2017 年實現量產，4000 噸/年的產能 | - |
深圳斯諾 | 2017 年實現小規模供貨。 | 2018 年達到 3000 噸/年的產能，2019 年達到 10000 噸/年的水平。 |
3.隔膜材料：濕法隔膜是主流，涂覆濕法隔膜是趨勢
隔膜是決定鋰電池性能、安全性和成本的重要部分，其成本占整個動力電池成本的8%左右。隔膜主要作用是使電池的正、負極分隔開，防止兩極接觸而短路，此外還具有能使電解質離子通過的功能。另外，由于電解液為有機溶劑，因而隔膜還必須具備耐有機溶劑的性能。
圖3 鋰電池濕法聚乙烯（PE）材料隔膜（左）、隔膜分切機（右）
隔膜的制備工藝主要分為干法拉伸與濕法拉伸, 其中干法拉伸又分為單向拉伸和雙向拉伸兩種工藝。濕法拉伸工藝主要針對低密度的聚乙烯（PE）材料，目前較多應用于三元鋰電池；干法拉伸工藝主要針對聚丙烯（PP）材料，目前較多用于磷酸鐵鋰電池。
隔膜加工工藝及性能對比如下：
特性 | 干法 | 濕法 | |
單向拉伸 | 雙向拉伸 | 縱向或雙軸向分離 | |
技術原理 | 晶片分離 | 晶型轉換 | 熱致相分離 |
技術特點 | 設備復雜，投資大而且生產工藝控制難度高，無污染。 | 設備復雜，投資較大，一般需要成孔劑輔助成孔。 | 成本高，投資大，設備精度高，生產周期長，難度大，能耗較大，一般用于制造高端產品。 |
產品性能 | 孔隙率在 40%，縱向抗拉強度優 于濕法隔膜，但橫向抗拉強度較差，由于只進行單向拉伸，橫向幾乎無熱收縮。閉孔溫度、熔斷溫度較高。三層 PP、PE-PP隔膜在熱穩定性、耐高溫性性能方面均優于單層隔膜。 | 微孔尺寸分布均勻，透氣性較干法單向拉薩好，膜厚度范圍寬，橫向拉伸強度好，穿刺強度大，閉孔溫度和熔斷溫度較濕法 PE 高
| 比干法隔膜具備更高的孔隙率和更好的透氣性，微孔尺寸、分布均勻，適于生產較薄的單層膜產品和大功率電池的隔膜，但由于采用 PE 材料，熔點 130℃，耐高溫新能差，閉孔溫度較低，熔融溫度也較低。 |
主要廠家 | 美國celgard、日本宇部UBE、高銀化學、南通田豐、江蘇訊騰、星源材質、滄州明珠 | 新鄉格瑞恩、星源材質、大連新時、中科科技、河南義騰 | 日本旭化成、東燃、韓國SK、美國 Entek、韓國 Wscope、日東電工、佛山金輝高科、日本住友、韓國WIDE、上海恩捷、蘇州捷力、滄州明珠、重慶紐米、鴻圖隔膜 |
主要產品 | 單層 PE、PP-PE-PP | 厚 PP 隔膜 | 單層 PE |
濕法隔膜技術一般用于制造高端隔膜產品，同時順應動力電池高能量密度的要求，未來或將成為技術主流。濕法隔膜領域中涂覆濕法隔膜是未來的發展趨勢，當前的涂覆技術主要為陶瓷（氧化鋁、勃姆石）等，通過陶瓷涂覆隔膜大幅提高濕法隔膜的熱穩定性、降低高溫收縮性等，從而使隔膜的性能更加優良。
4.電解液：添加劑配方是技術核心
電解液是電池中離子傳輸的載體，其成本約占整個鋰電池成本的 10%，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優點的保證。國產電解液經過多年的發展，已經成為四大材料中技術最為成熟的品種。
電解液環節暫不存在技術路徑的風險，主要差別體現為添加劑的配方不同。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽、相關添加劑等原料組成，其中添加劑配方是電解液性能提升的關鍵。添加劑配方需要長期積累并且往往需要與下游客戶共同開發針對性配方。目前市場上常用電解質鋰鹽主要以六氟磷酸鋰為主。
參考文獻：
1. 蘇丹，王岷云，王力臻等，《鋰離子電池陶瓷隔膜研究進展》。
2. 蔣利軍，張向軍，劉曉鵬等，《新能源材料的研究進展》。
3. 王昶，宋慧玲，耿紅軍等，《關鍵新材料創新突破的研究回顧與展望》。
昕玥
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作者：粉體圈
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