加拿大高校联合特斯拉研发低压超长寿命电池，在25℃条件下最高可使用100年
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麻省理工科技评论-加拿大高校联合特斯拉研发低压超长寿命电池，在25℃条件下最高可使用100年
面对高油价和新能源汽车带来的高性能的驾驶体验，人们开始逐渐接受新能源汽车。同时，新能源汽车的快速普及也得益于近年来锂电技术的快速发展。
LiMO2（其中 M 通常是 Ni、Mn 和 Co 的混合物）和 LiMPO4（其中 M 通常是 Fe），这两种材料是锂离子电池中最常用的两种正极材料类型，它们分别构成了三元锂电池和磷酸铁锂电池，一般简称为 NMC 电池和 LFP 电池。
这两种电池在使用时，在影响电池单元的特性和性能方面上往往是截然相反的。因此，使用不同电池技术的汽车制造商都会重点介绍其所选用电池的优点。那么，这两种电池之间到底有怎样的区别呢？
对于 NMC 电池来说，正电极通常具有高能量和高比容量，在更高的电压下工作会导致更多的氧化条件，影响其工作寿命。并且，高电压还会导致带电状态下的稳定性和安全问题。
因为在高电压条件下，NMC 电池的正电极的一些可能的失效模式，包括不可逆相变，电解质氧化和粒子开裂可能会发生。相反地，LFP 电池因为具有更小的比容量、体积容量以及较低的工作电压，因此与 NMC 电池相比更加稳定和安全。
在传统 NMC 电池中为了使 NMC 电池的工作电压保持在 4.2V 以上，负电极将会保留足够的石墨来维持此电压，这使得正极中存在未被利用的锂离子而降低使用寿命。如果在这种配置中降低电池的充电电压，则会导致未被利用的石墨而剩余。有研究已经表明，在 2.5V 和 3.78V 之间运行的电池被证明比在 2.5V 和 4.2V 之间运行在使用寿命方面更具优势。
大多数电池制造商都专注于建立使用当前成熟的电池技术，而来自加拿大达尔豪斯大学的著名科学家和研究员杰夫·达恩（Jeff Dahn）则更关注未来 5 年、10 年或 15 年世界将需要的电池。
2019 年，达恩教授等学者首次提出 EV 电池在需要更换之前可能持续使用 100 万英里。达恩教授也与特斯拉在电池研发方面保持着密切的合作。2015 年，特斯拉与达恩教授团队签订了 5 年的研究合作伙伴合同，并且特斯拉在其研究团队的帮助下，获得了很多电池技术上的突破。
2021 年，双方进行了五年的合同续约，继续在锂电技术研发上进行保持合作伙伴关系。多年来，该课题组一直保持与特斯拉合作从事电池的研究，为电动汽车和能源储存带来更持久、更快充电、更便宜的电池。
最近，达恩教授课题组与特斯拉合作，针对新型三元锂电池进行研究。相关论文以《Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2 实现长寿命低压锂离子电池可作为 LiFePO4 的优越替代品》（Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2] as a Superior Alternative to LiFePO4 for Long Lived Low Voltage Li-Ion Cells）为题发表在 Journal of the Electrochemical Society 上[1]，该成果证明可长时间使用高达 100 年的电池是可能的。
这是一个里程碑式的研究成果，将会引领更多的科研人员对长寿命电池展开相关的研究。该工作通详细介绍如何使 NMC 电池单元的性能平衡到低于传统电压的操作，并与 LFP 电池单元进行比较，在两种电池单元类型中实现了相似的正极电压和全负极利用。并证明了在较低电压工作条件下，NMC 电池被认为是一种优于 LFP 电池更好的替代品，可以应用于一些通常只能针对含 LFP 电池的场景中。
研究人员通过对传统 NMC电池进行结构优化，通过制备单晶 Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2 的正极材料的电池（简称为 NMC532 电池），使其可在较低的 3.8 伏电压以下运行。同时，电池的性能参数例如库伦效率、容量衰减和能量密度在低压条件下都优于传统电池。
经过计算，该新型电池可以在 25°C 时的使用寿命最高将接近 100 年。经过实验证明， NMC532 的能量密度超过 LFP 电池，并且在 40°C、55°C 以及 70℃ 温度下的循环寿命大幅度超过 LFP 电池。
并且，在 NMC 电池的设计中使用的电解质为双氟磺酰亚胺锂盐 （Lithium bis(fluorosulfonyl)imide，LiFSI） ，通过图 2 证明了该电解质在高温下的使用寿命，远远超过传统电池中使用的六氟磷酸锂盐（Lithium Hexafluorophosphate，LiPF6）。
图 3 显示了在该研究中，LFP 和 NMC 532 电池的堆栈能量密度示意图。可以看到，尽管充电电压只有3.8V，但是 NMC 532 电池所产生的堆栈能量密度为 495Wh/L。如果将 LFP 电池单元的堆栈能量密度增加约 3% 时可以接近 440Wh/L,但该数值仍然小于 NMC532 电池。
除了比 LFP 电池更长的寿命外，在该项技术中所使用到的低电压工作的 NMC 电池，为改进未来锂电的发展和使用它们的相关设备提供了许多机会。例如加快充电速度，因为传低粘度溶剂如乙酸甲酯和乙酸乙酯可以使快速充电的液体电解质具有更好的电化学相容性，但因为氧化稳定性较低，无法在高电压下运行。
而 NMC532 电池在低电压下的运行避免了相当大的氧化应激。同时，因为 NMC532 电池可以在低电压运行，因此使混合型 LFP+NMC 正电极成为可能。NMC532 和 LFP 电池中所包含的负电极材料基本上是相同的，同一低电压下的两种正电极材料的协同工作为未来结合两种材料优势的新型电池提供了可能。
那么，特斯拉将来什么时候会把该项技术投入到实际量产车呢？研究人员表示，可能还需要很久。因为目前来说，他们的新电池成本目前比 LFP 电池更高，并且可能不具备电动汽车所需的功率特性。
但该项技术可能非常适合长期储能，因为这样新电池技术所需的较高成本将被延长的使用寿命所抵消。但是，随着该论文的发表，以这项技术为基础的后续研究将带来更多可能。毕竟新能源汽车不论是经济性、舒适性还是环保角度都是最优的选择，巨大的市场将会刺激技术的快速研发。
总体而言，低电压工作的 NMC532 电池的使用寿命和能量密度都是优于 LFP 电池。如果考虑 LFP 电池的能量密度不足、使用寿命较低这些因素时，该技术所体现的优点就应该值得重视。当然，这并不能认为 LFP 电池应该被淘汰，因为控制成本和高安全性的因素是不能被忽略的。
-End-
1、Aiken C P, Logan E R, Eldesoky A, et al. Li [Ni0. 5Mn0. 3Co0. 2] O2 as a Superior Alternative to LiFePO4 for Long-Lived Low Voltage Li-Ion Cells[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2022, 169(5): 050512.
https://cleantechnica.com/2022/05/26/jeff-dahn-the-100-year-battery/
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