加拿大高校联合特斯拉研发低压超长寿命电池 在二十五摄氏度条件下最高可使用一百年

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4.2伏以上，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电池使用寿命。如果在这种配置中降低电池的充电电压，则会导致石墨未被利用而剩余。有研究已经表明，在2.5伏～3.78伏之间运行的电池被证明比在2.5伏～4.2伏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160万公里。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》为题发表，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。该工作通过详细介绍如何使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。

对比不同电池组合下的放电容量和平均充放电电压

经过计算，该新型电池可以在25摄氏度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摄氏度、55摄氏度以及70摄氏度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，通过图片（上图）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。

LFP电池和NMC532电池的近似堆栈能量密度示意图

图片显示了在该研究中，LFP和NMC532电池的堆栈能量密度示意图。可以看到，尽管充电电压只有3.8伏，但是NMC532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。NMC 532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。