汽車材料分為哪三大類,汽車材料分哪兩類？

一、液態鋰離子電池安全性介紹

1.1 背景

在《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》的規劃中曾提到關于動力電池能量密度的相關目標，《規劃》指出，至2030年單體電芯比能量要達到400Wh/kg，至2035年需達到500Wh/kg。然而在當前技術狀態下高能量密度的液態鋰離子電池的負極材料通常采用高鎳搭配石墨負的方式實現，其量產產品的能量密度約在240-260Wh/kg的范圍之間，而要想獲得更高的能量密度，其負極材料的選型方案之一是采用高鎳搭配硅碳材料進行實現，但此方式下的產品雖可在某一環境狀態下達到如400wh/kg的較高能量密度，但卻難以長期穩定運行，在此情況之下，要實現高如500wh/kg的能量密度目標就顯得十分困難。

圖1 規劃2.0

為了推動新能源汽車的進一步發展，動力電池的技術升級是整車續航里程得以大幅度提升的唯一途徑。在當前的汽車市場中，隨著新能源汽車滲透率的提升，作為整車動力源的液態鋰離子電池是被應用最廣的一種電池產品。在電池裝機量連年爬升的同時，動力電池在車輛的使用周期中其安全性、穩定性也成為了用戶、廠家、行業關注的重點。

1.2 安全性

在新能源汽車發展至今以來，由動力電池引發的安全事故已不勝枚舉，而會造成液態鋰離子電池在使用過程中屢次出現安全問題的主要原因歸咎其根本可總結出如下幾點：

1）鋰離子電池在遇到低溫環境、電池過充、大電流充電等情況時，金屬鋰會直接在電芯負極表面析出形成鋰枝晶，即通常所說的負極析鋰現象，而鋰枝晶一旦形成，便有一定的概率會將隔膜刺穿，而一旦隔膜破裂，原本分隔的正負極便會發生短路，從而造成安全隱患；

圖2 鋰枝晶刺破隔膜

2）當動力電池充電至一定容量而使得正極處于較高的電壓環境中時，正極材料會進入高氧化狀態，若在微觀下觀察，可看到結構晶格中原本穩定的氧會通過失去電子的形式析出而形成游離狀態，游離氧會與電解液發生氧化反應從而放出大量的熱量。而本就有著低著火點的有機電解液在此環境之下，就顯得極不安全，因此動力電池總成此時便極易發生燃燒、爆炸等安全問題；

3）在高溫高壓的環境下，以LiPF6為主要材料的電解液容易發生分解，并會與其他溶劑之間發生熱化學反應，從而造成安全事故；

4）當動力電池處于較高的環境溫度之中時，隔膜會發生熱收縮現象，在此情況之下，隔膜一旦破裂，則會導致正負極短路；

5）當動力電池處于高溫環境時，在其內部便有可能發生如SEI膜分解、正負極與電解液反應等問題，而這些異常便極易導致動力電池內部發生熱失控，電池一旦熱失控，想要在極短的時間內為其降溫便具有相當大的難度，因此大多數情況下，熱失控的情況一旦發生，便只能看著它自行燃燒殆盡，很難通過滅火器等方式滅火。

如市場常報道的新能源汽車充電自燃、夏日自燃等案例，基本上都是不會脫離上述原因。由于動力電池的電解液具有熱不穩定性、易燃性等特性，因此其是引發液態鋰離子電池熱失控的主要原因，但作為液態鋰離子電池的必須材料，電解液又不能沒有，因此想要從根本上解決液態鋰離子電池的安全問題是不可能的，也正是此點原因，液態鋰離子在安全性上被業內稱為‘本征不安全’。而為了盡可能的減少動力電池的安全問題，對于該液態系列產品，目前廠家能做的便是加強系統監控以及從電池的物理結構與熱管理上去下功夫，不過這些技術手段都僅是盡可能的減小風險的發生而無法根治。

圖3 液態鋰離子電池熱失控的誘發機制

二、固態電池

一方面是能量密度目標所帶來的壓力，另一方是安全性問題在虎視眈眈，如何從本質上提升安全性的同時去提升電池的能量密度？在這一背景之下，本征不安全的液態電池開始逐步朝著取消電解液的方向試探，從而固態電池由此而生。

固態電池按照其內所含液態電解液的多少可將其分為半固態、準固態和全固態三類。其中，在半固態電池中所含的液態電解液占比通常在10%以下，而全固態電池則不含液態電解液，代之以固態電解質。當前技術狀態之下，之所以會有半固態、準固態的中間混合態存在，主要是由于通過往固態電池中添加一定比例的電解液能夠降低界面阻抗，從而提升固態電池的性能，但隨著固態電池的技術發展，混合態被全固態取代應只是時間問題。另外，由于固態電解質的密度大于液態電解液，因此隨著固態電解質對液態電解液的取代，電池本身的能量密度也將得到了進一步的提升。

圖4 不同狀態電池對比

固態電池相對于現有液態電池的材料體系有著較好的兼容性，就組成而言，其與液態鋰離子電池的主要組成要素類似，主要有：正極、負極、固態電解質和隔膜四大類。

正極材料：固/液態電池的正極材料體系基本相同，在發展固態電池時可實現材料的延用。同時由于在液態電池中，當電壓超過4V時，其電解液便會與電極材料的界面發生反應而分解，因此想通過以提升電壓的方式去提升能量密度則有相當的難度。但對于固態的電解質而言便不會有該現象，因此在固態電池中可以使用如高鎳層狀氧化物、富鋰錳基等具有較高電壓平臺的正極材料，可通過提升電壓的方式最終讓動力電池獲得更高的能量密度。

負極材料：與正極材料相同，在固態電池的應用中負極材料亦可兼容現有的材料體系。而為了能讓動力電池獲得更高的能量密度，負極材料將會采用克容量更高的硅基以及金屬鋰等材料為負極。其中以金屬鋰為負極材料是提升電池能量密度的重要方案之一，然而金屬鋰負極在混合態電池循環的過程中會產生鋰枝晶，會對動力電池的使用留下安全隱患。

圖5 固態電池負極材料

電解質：提供鋰離子在正負極間移動的環境。固態電池可采用無機陶瓷等材料作為電解質，在此類電解質的作用下，能夠抑制上述負極材料中提到的鋰枝晶生長問題，這對于以金屬鋰作為固態電池的負極材料提供了可靠的前提保證。另外，陶瓷材料的應用還可避免熱收縮引起的隔膜破裂問題，亦是減少安全風險的保證。

在上文的介紹中我們提到液態電池之所以‘本征不安全’是由于其有著易燃特性的電解液，而相比于液態電池，固態電池使用的固態電解質有著不可燃、不揮發、不漏液的優點，即使是發生碰撞，也很難會出現電解質泄漏、電極短路等情況。

另外，由于固態電解質的熱失控初始溫度均遠高于液態鋰離子電池隔膜融化溫度，該技術的應用或可從根本上解決液態電池‘本征不安全’問題。

圖6 不同電解質/液熱失控起始溫度

隔膜：用于隔絕正負極材料以防止電池短路。在液態、混合態的電池體系下，隔膜的應用是必不可少的，但隨著未來全固態電池的量產，具有良好絕緣性的固態電解質可充當傳統隔膜的作用，因此在此背景之下的電池將不再需要應用到隔膜。同時，由于隔膜的取消，即使是在使用過程中出現了鋰枝晶現象也不存在刺破隔膜等問題了。

圖7 在全固態電池中隔膜取消

在上述固態電池組成的描述中，對其總結并整理成如下圖：

圖8 固態電池主要組成

但無論電池的形態、種類如何變化，其在充放電原理上皆具有同樣的工作原理，即固/液態電池皆是依靠鋰離子在正極和負極之間的移動來工作的，對比兩者之間的性能整理如下：

表1 固液電池對比

在固態電池的發展過程中，安全性及電化學性能始終是行業關注的重點，而影響這兩類性能的主要因素則是其界面穩定性。關于界面問題，可分為物理機械穩定性、化學穩定性、電化學穩定性和熱穩定性。

如物理機械穩定性不好則會導致電極/電解質界面處產生結構應力，隨著電化學循環的進行，結構應力不斷累加，最終將會影響電池的電化學性能或安全性能。因此如何安全有效的解決這類問題，則是未來固態電池發展的關鍵。

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