面對(duì)高油價(jià)和新能源汽車(chē)帶來(lái)的高性能的駕駛體驗(yàn)，人們開(kāi)始逐漸接受新能源汽車(chē)。同時(shí)，新能源汽車(chē)的快速普及也得益于近年來(lái)鋰電技術(shù)的快速發(fā)展。

LiMO2(其中 M 通常是 Ni、Mn 和 Co 的混合物)和 LiMPO4(其中 M 通常是 Fe)，這兩種材料是鋰離子電池中最常用的兩種正極材料類型，它們分別構(gòu)成了三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，一般簡(jiǎn)稱為 NMC 電池和 LFP 電池。

這兩種電池在使用時(shí)，在影響電池單元的特性和性能方面上往往是截然相反的。因此，使用不同電池技術(shù)的汽車(chē)制造商都會(huì)重點(diǎn)介紹其所選用電池的優(yōu)點(diǎn)。那么，這兩種電池之間到底有怎樣的區(qū)別呢?

對(duì)于 NMC 電池來(lái)說(shuō)，正電極通常具有高能量和高比容量，在更高的電壓下工作會(huì)導(dǎo)致更多的氧化條件，影響其工作壽命。并且，高電壓還會(huì)導(dǎo)致帶電狀態(tài)下的穩(wěn)定性和安全問(wèn)題。

因?yàn)樵诟唠妷簵l件下，NMC 電池的正電極的一些可能的失效模式，包括不可逆相變，電解質(zhì)氧化和粒子開(kāi)裂可能會(huì)發(fā)生。相反地，LFP 電池因?yàn)榫哂懈〉谋热萘俊Ⅲw積容量以及較低的工作電壓，因此與 NMC 電池相比更加穩(wěn)定和安全。

在傳統(tǒng) NMC 電池中為了使 NMC 電池的工作電壓保持在 4.2V 以上，負(fù)電極將會(huì)保留足夠的石墨來(lái)維持此電壓，這使得正極中存在未被利用的鋰離子而降低使用壽命。如果在這種配置中降低電池的充電電壓，則會(huì)導(dǎo)致未被利用的石墨而剩余。有研究已經(jīng)表明，在 2.5V 和 3.78V 之間運(yùn)行的電池被證明比在 2.5V 和 4.2V 之間運(yùn)行在使用壽命方面更具優(yōu)勢(shì)。

大多數(shù)電池制造商都專注于建立使用當(dāng)前成熟的電池技術(shù)，而來(lái)自加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的著名科學(xué)家和研究員杰夫·達(dá)恩(Jeff Dahn)則更關(guān)注未來(lái) 5 年、10 年或 15 年世界將需要的電池。

2019 年，達(dá)恩教授等學(xué)者首次提出 EV 電池在需要更換之前可能持續(xù)使用 100 萬(wàn)英里。達(dá)恩教授也與特斯拉在電池研發(fā)方面保持著密切的合作。2015 年，特斯拉與達(dá)恩教授團(tuán)隊(duì)簽訂了 5 年的研究合作伙伴合同，并且特斯拉在其研究團(tuán)隊(duì)的幫助下，獲得了很多電池技術(shù)上的突破。

2021 年，雙方進(jìn)行了五年的合同續(xù)約，繼續(xù)在鋰電技術(shù)研發(fā)上進(jìn)行保持合作伙伴關(guān)系。多年來(lái)，該課題組一直保持與特斯拉合作從事電池的研究，為電動(dòng)汽車(chē)和能源儲(chǔ)存帶來(lái)更持久、更快充電、更便宜的電池。

最近，達(dá)恩教授課題組與特斯拉合作，針對(duì)新型三元鋰電池進(jìn)行研究。相關(guān)論文以《Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命低壓鋰離子電池可作為 LiFePO4 的優(yōu)越替代品》()為題發(fā)表在 Journal of the Electrochemical Society 上[1]，該成果證明可長(zhǎng)時(shí)間使用高達(dá) 100 年的電池是可能的。

這是一個(gè)里程碑式的研究成果，將會(huì)引領(lǐng)更多的科研人員對(duì)長(zhǎng)壽命電池展開(kāi)相關(guān)的研究。該工作通過(guò)詳細(xì)介紹如何使 NMC 電池單元的性能平衡到低于傳統(tǒng)電壓的操作，并與 LFP 電池單元進(jìn)行比較，在兩種電池單元類型中實(shí)現(xiàn)了相似的正極電壓和全負(fù)極利用。并證明了在較低電壓工作條件下，NMC 電池被認(rèn)為是一種優(yōu)于 LFP 電池更好的替代品，可以應(yīng)用于一些通常只能針對(duì)含 LFP 電池的場(chǎng)景中。

研究人員通過(guò)對(duì)傳統(tǒng) NMC電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)制備單晶 Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2 的正極材料的電池(簡(jiǎn)稱為 NMC532 電池)，使其可在較低的 3.8 伏電壓以下運(yùn)行。同時(shí)，電池的性能參數(shù)例如庫(kù)倫效率、容量衰減和能量密度在低壓條件下都優(yōu)于傳統(tǒng)電池。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，該新型電池可以在 25°C 時(shí)的使用壽命最高將接近 100 年。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明， NMC532 的能量密度超過(guò) LFP 電池，并且在 40°C、55°C 以及 70℃ 溫度下的循環(huán)壽命大幅度超過(guò) LFP 電池。

并且，在 NMC 電池的設(shè)計(jì)中使用的電解質(zhì)為雙氟磺酰亞胺鋰鹽 (Lithium bis(fluorosulfonyl)imide，LiFSI) ，通過(guò)圖 2 證明了該電解質(zhì)在高溫下的使用壽命，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)電池中使用的六氟磷酸鋰鹽(Lithium Hexafluorophosphate，LiPF6)。

圖 3 顯示了在該研究中，LFP 和 NMC 532 電池的堆棧能量密度示意圖。可以看到，盡管充電電壓只有3.8V，但是 NMC 532 電池所產(chǎn)生的堆棧能量密度為 495Wh/L。如果將 LFP 電池單元的堆棧能量密度增加約 3% 時(shí)可以接近 440Wh/L,但該數(shù)值仍然小于 NMC532 電池。

除了比 LFP 電池更長(zhǎng)的壽命外，在該項(xiàng)技術(shù)中所使用到的低電壓工作的 NMC 電池，為改進(jìn)未來(lái)鋰電的發(fā)展和使用它們的相關(guān)設(shè)備提供了許多機(jī)會(huì)。例如加快充電速度，因?yàn)閭鞯驼扯热軇┤缫宜峒柞ズ鸵宜嵋阴タ梢允箍焖俪潆姷囊后w電解質(zhì)具有更好的電化學(xué)相容性，但因?yàn)檠趸€(wěn)定性較低，無(wú)法在高電壓下運(yùn)行。

而 NMC532 電池在低電壓下的運(yùn)行避免了相當(dāng)大的氧化應(yīng)激。同時(shí)，因?yàn)?NMC532 電池可以在低電壓運(yùn)行，因此使混合型 LFP+NMC 正電極成為可能。NMC532 和 LFP 電池中所包含的負(fù)電極材料基本上是相同的，同一低電壓下的兩種正電極材料的協(xié)同工作為未來(lái)結(jié)合兩種材料優(yōu)勢(shì)的新型電池提供了可能。

那么，特斯拉將來(lái)什么時(shí)候會(huì)把該項(xiàng)技術(shù)投入到實(shí)際量產(chǎn)車(chē)呢?研究人員表示，可能還需要很久。因?yàn)槟壳皝?lái)說(shuō)，他們的新電池成本目前比 LFP 電池更高，并且可能不具備電動(dòng)汽車(chē)所需的功率特性。

但該項(xiàng)技術(shù)可能非常適合長(zhǎng)期儲(chǔ)能，因?yàn)檫@樣新電池技術(shù)所需的較高成本將被延長(zhǎng)的使用壽命所抵消。但是，隨著該論文的發(fā)表，以這項(xiàng)技術(shù)為基礎(chǔ)的后續(xù)研究將帶來(lái)更多可能。畢竟新能源汽車(chē)不論是經(jīng)濟(jì)性、舒適性還是環(huán)保角度都是最優(yōu)的選擇，巨大的市場(chǎng)將會(huì)刺激技術(shù)的快速研發(fā)。

總體而言，低電壓工作的 NMC532 電池的使用壽命和能量密度都是優(yōu)于 LFP 電池。如果考慮 LFP 電池的能量密度不足、使用壽命較低這些因素時(shí)，該技術(shù)所體現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)就應(yīng)該值得重視。當(dāng)然，這并不能認(rèn)為 LFP 電池應(yīng)該被淘汰，因?yàn)榭刂瞥杀竞透甙踩缘囊蛩厥遣荒鼙缓雎缘摹?/p>

關(guān)鍵詞： 加拿大高校 超長(zhǎng)壽命電池 新能源汽車(chē) 加拿大高校聯(lián)合特斯拉