推进电池技术：“中国制造2025”的目标和材料创新

将锂离子电池集成到现代技术结构中堪称革命性的。这些储能设备是各种电子产品、电动汽车 (EV) 以及对我们日常生活至关重要的其他应用的核心。然而，对锂离子电池的日益依赖也带来了挑战。安全问题日益突出，三星Note 7智能手机起火、特斯拉汽车燃烧等事件凸显了电池技术创新的必要性。

这些事件引发了安全问题，促使人们重新评估与锂离子电池相关的安全措施。这些事件清楚地提醒我们，追求更高的能量密度和更长的使用寿命必须与严格的安全考虑相平衡。

“中国制造2025”为电池技术进步，特别是新能源汽车动力电池领域设定了宏伟的目标。工信部制定的路线图对电池单体比能量设定了具体目标，目标是到2020年达到300Wh/kg，到2025年超过400Wh/kg，到2030年超过500Wh/kg。力争到2030年，电池寿命延长至10年，单位成本降低至0.6元/Wh以下，系统成本降低至0.8元/Wh以下。

为了实现这些目标，材料创新发挥着关键作用。例如，正极材料是决定锂离子电池容量和电压的关键部件。研究重点是 LiNi0.5Mn1.5O4、LiCoO2 等材料以及各种镍钴锰 (NCM) 和镍钴铝 (NCA) 配方。目标是提高这些材料的克容量，同时提高充电截止电压，从而提高能量密度。人们正在探索掺杂、涂层和使用阴极电解质界面（CEI）添加剂等方法来提高晶格和表面稳定性、压实密度和阴极厚度。

负极材料也受到了相当多的关注。随着C@SiOx、C@nano-Si/C、软硬碳、锂复合材料等材料显示出的发展潜力，研究人员正在寻找提高负极容量的方法。策略包括预锂化以提高表面容量并减少电极体积膨胀、碳涂层和固体电解质相间（SEI）添加剂以增强界面稳定性和倍率特性。向全固态电池的发展预计将提高库仑效率和安全性。

锂离子电池能量密度发展路线图不仅考虑了高能量密度，还考虑了高安全性和动力性能的需求。电动汽车动力电池材料的演变已从钴酸锂发展到更复杂的组合，如高镍622、811和NCA配方，以及富锂锰基层状氧化物和高压镍锰尖晶石。

该技术路线适用于300Wh/kg以上动力电池，采用高镍正极搭配硅碳负极。它涉及各种组件的优化，从陶瓷涂层隔膜到离子导体涂层隔膜，从材料掺杂到改性电解质和导电添加剂。化成工艺、N/P设计和预锂化工艺都是需要仔细考虑的关键要素，以平衡能量密度与安全性、寿命和功率特性。

尽管取得了这些进步，但锂离子电池系统的潜在风险也不容忽视。可燃气体的挥发、热失控的风险、短路和过度充电的危险都是需要进行全面的安全测试和开发强大的安全机制的因素。

单电池和电池组的安全测试协议包括过压充电、常温和高温下的外部短路、过流充电以及振动、冲击和挤压等机械冲击测试。这些测试旨在确保电池能够承受一系列不利条件而不会着火或爆炸。

总之，随着中国推进“中国制造2025”战略，开发更安全、更高效、更具成本效益的电池技术仍然是重中之重。材料创新和严格的测试协议对于实现路线图的目标和解决过去事件中出现的安全问题至关重要。锂离子电池的未来是光明的，但必须密切关注性能和安全性之间的平衡。