锂二次电池技术探秘： 如何提升能量密度？全靠这5大前沿技术！

随着全球对低碳经济、改善生态环境以及缓解能源危机需求的增大，锂二次电池的市场及应用前景不断增势。近年来，由于数码、电动汽车市场需求的日益旺盛，市场争夺战再度升级，锂二次电池一跃成为资本市场的宠儿。

行业痛点与前沿技术突破

锂二次电池的技术突破将影响着未来新能源产业的发展，锂二次电池新技术极为重要。传统锂二次电池的重量/体积大，续航能力差，始终难以破除消费者对于锂二次电池电量的焦虑。

在满足安全性以及其他综合技术指标的前提下，对能够提高锂二次电池系统的能量密度的前沿技术的研究始终是研发人员孜孜不倦的追求。锂二次电池能量密度提升的前沿技术主要聚焦于电芯密度提升和系统能量密度提升两方面。

一方面，电芯能量密度提升主要通过化学体系的改进，通过正极、负极和电解质的技术创新来推进电芯能量密度的提升；另一方面，系统能量密度的提升主要通过提高电池活性不见（正/负极）的重量/体积占比，实现手段主要包括：大电池技术和新型成组技术。

电芯能量密度提升——正极

锂电池的正极是整个电池中可脱嵌锂离子的来源，它的基本要求包括：较高的放电电压、高质量比容量、高功率密度、长循环寿命、化学稳定性好、无毒、容易制备。

随着能量密度提升的需求，高镍三元（镍含量在80W%以上）、富锂锰基、锂硫电池是目前以及将来的主流研究方向。LG化学、三星SDI、宁德时代等企业都在这三个方向做出专利布局。其中，LG化学的方向是NCM全面布局，锂硫电池是未来方向；而三星则侧重于NCM高镍，放弃锂硫电池。

电芯能量密度提升——硅负极材料

对锂电池能量的追逐一直是行业的热点，石墨负极已远不能满足，而高理论容量硅基材料成为代替石墨负极的候选材料。但受限于其锂化过程中体积变化的影响，循环寿命难达预期，硅负极的优化已成下一代产业课题之一。

在硅负极锂二次电池领域，自2010年后，专利申请量较之前明显提升，且近几年仍居高不下，始终是研究的热点方向。硅负极领域，中国专利申请量成为第一梯队，日、美紧随其后，但就申请人的技术储备来看，硅负极领域专利申请龙头企业多为日韩企业。LG化学在硅负极电池的专利布局数量远超其他申请人，其次为松下，前十位申请人中，中国仅国轩高科入围。

LG化学是目前硅基负极专利申请量最多的企业，通过专利年申请趋势不难发现，LG化学分别在2006-2007年、2012-2015年、2018-2019年相对集中，说明LG化学在硅基负极上的研发在持续进行。

在硅负极领域，LG化学选择了氧化硅路线。在硅基材料的缺陷改进上，LG化学布局最多的也是基于氧化硅材料的改进，其通过与碳复合、与其他材料的掺杂改善膨胀，加入碳纳米管或聚合物提高导电性和首效问题；同时，通过氧化硅材料预锂化，向负极中加入锂源，提升电池首效。此外，其在硅合金、硅材料改性也有一定研究。

LG化学除自身投入硅负极研发外，还通过借助优势企业，增强技术实力。2018年，LG化学对Enevate公司进行了注资，该公司致力于硅基锂二次电池快充技术。

电芯能量密度提升——固态电池

在固态电池领域，聚合物电解质体系因其工艺和锂电池相接近，是最容易利用现有设备通过改造实现量产的固态电池。但受其能量密度和离子电导率低等限制，氧化物/硫化物为代表的无机物电解质体系越来越被重视，尤其是以丰田为代表的硫化物固态电池路线，成为未来最有可能的技术路线。

固态电池领域，日本为第一梯队，中、美紧随其后，而韩国（以三星、LG化学为代表），在固态电池领域也有较强的技术储备。

系统能量密度提升——大/无模组技术&刀片电池

电池企业和车企的电池包一般多采用从单体（Cell）-模组（Module）-电池包（Pack）的三级成组方式，多层级的成组方式保障了电池安全，但一定程度上也牺牲了电池包的空间利用率和电池系统的能量密度。

提高电池系统能量密度的一种方法是不断增加模组的尺寸，从355模组到390模组，再到590模组；另一种方法是直接减少模组结构件数量，直至取消模组，将电池直接集成在电池包中。

宁德时代和比亚迪分别提出了各自的大/无模组技术的解决方案：2019年9月26日，北汽新能源与宁德时代携手打造的全球首款CTP电池包（Cell to Pack，无模组动力电池包）正式发布。2020年3月29日，凭借在新能源汽车和电池领域多年经验的积累，比亚迪推出了超级磷酸铁锂二次电池-刀片电池。