研究发现锂离子导体新材料 开启可持续电池新方向

瞻观前沿

在《科学》杂志上发表的一篇题​​为通过两个阴离子堆积定义的多重配位环境进行超离子锂传输的论文中，利物浦大学的研究人员发现了一种能够快速传导锂离子的固体材料。这种锂电解质是为电动汽车和许多电子设备提供动力的可充电电池的重要组成部分。

这种新材料由地球上丰富的无毒元素组成，具有足够高的锂离子电导率，可以取代当前锂离子电池技术中的液体电解质，提高安全性和能量容量。该大学的跨学科研究团队采用变革性的科学方法来设计这种材料，在实验室中合成了这种材料，确定了其结构(原子在空间中的排列)，并在电池中进行了演示。

这种新材料是极少数能够实现足够高的锂离子电导率以取代液体电解质的固体材料之一，并且由于其结构而以新的方式运行。新材料为化学优化提供了一个平台，以进一步增强材料本身的性能，并根据研究提供的新认识来识别其他材料。

利物浦大学化学系的Matt Rosseinsky教授表示，这项研究证明了一种新型和功能性材料的设计和发现。这种材料的结构改变了人们以前对高性能固态电解质的理解。具体来说，具有许多不同离子环境的固体都可以表现得很好，而不仅仅是离子环境范围非常窄的少量固体。这极大地开辟了可用于进一步发现的化学空间。我们的颠覆性设计方法为发现这些以及其他依赖于固体中离子快速运动的高性能材料提供了一条新途径。

图片来源：利物浦大学

技术价值观察

锂电池行业上游的原材料主要包括正负极材料、电解液、隔离膜等。其中，正极材料是锂电池最为关键的原材料，直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化，同时也是锂电池成本占比最高的材料，约占锂电池电芯材料成本的40%左右。锂电池行业的中游包括电池系统的研发制造、电池系统集成组装等。锂电池行业下游的应用领域主要为消费电池、动力电池和储能电池。

研究人员发现一种能够快速传导锂离子的固体材料，具有足够高的锂离子电导率，可以取代当前锂离子电池技术中的液体电解质。因此，从锂电池产业链上看，该技术处于产业链的上游环节。

宏观市场观察

——锂电池技术原理

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则相反。

——锂电池技术全景图：四大细分技术领域

从锂电池构成来看，锂电池技术主要包括正极材料、负极材料、电解质和隔膜四个主要细分技术领域。其中，正极材料主要包括磷酸铁锂、三元正极、锰酸锂等;负极材料主要包括碳系材料和非碳系材料;电解质主要包括液态电解质、固液复合电解质和固态电解质;隔膜主要包括干法隔膜和湿法隔膜。

——锂电池结构创新设计

锂电池电芯集成方式的革新是锂电池的重要结构创新，例如CTP(Cell To Pack)即跳过标准化模组环节，直接将电芯集成在电池包上，提高能量密度。

——锂电池技术专利聚焦领域

从锂电池专利聚焦的领域看，目前锂电池专利聚焦领域较明显，其主要聚焦于锂电池、锂离子电池、正极材料、负极材料、电解液等。

——锂电池技术发展方向及趋势：短期提高电池能量密度、长期技术路线多元化

短期内，提高锂电池能量密度主要通过对现有材料体系的迭代升级和电池结构革新来实现。其中，锂电池材料体系的迭代升级包括正负极材料、电解液和隔膜的迭代升级;电池结构革新又包括电芯、模组、封装方式等的结构改进和精简。

从长期来看，由于磷酸铁锂电池能量密度上限较低，并且为了应对不同应用场景下的不同需求，锂电池技术路线将朝多元化方向发展。除了酸铁锂电池和三元锂电池之外，固态电池、磷酸锰铁锂电池、富锂锰基电池等新型锂电池技术路线的发展趋势向好。

中国锂电池技术赛道热力图

根据产业热力图显示，与锂电池关键技术强关联的城市集群主要集中在华南地区，并且以深圳、东莞市为重点发展区域，未来锂电池技术及其他相关技术的发展路径，极大可能性在于华南地区优先导入，其中可重点关注广东省深圳市龙华区、广东省东莞市所处锂电池的相关企业，以及该地方对于锂电池的产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。

经济学人APP资讯组

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标签： 锂电池 材料 电解质 随笔