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LFP||Li固态电池体系的技术性经济评估

2021-09-16 10:48:32·  来源：能源学人  
　
【研究背景】电池需要进一步降低成本以实现更广泛的大规模市场应用。近年来，电池主要具有两个趋势，（1）磷酸铁锂（LFP）作为电动汽车（EV）的首选正极材料构成
【研究背景】
电池需要进一步降低成本以实现更广泛的大规模市场应用。近年来，电池主要具有两个趋势，（1）磷酸铁锂（LFP）作为电动汽车（EV）的首选正极材料构成的锂离子电池；（2）具有锂箔或无负极的锂金属电池作为传统锂离子负极的替代电池。锂金属负极能够提供比石墨高得多的比能量，但一直受到低循环寿命的困扰。同时，相比NCA或NMC等富镍正极材料，具有更低能量密度的LFP正极提供了改进的热安全性，避免了镍和钴供应链挑战，提供了更低的成本。
【成果简介】
鉴于此，美国卡内基梅隆大学Venkatasubramanian Viswanathan（通讯作者）对LFP与Li金属负极匹配（LFP||Li）的电池进行了技术性经济评估。基于该分析，本文发现LFP||Li的电池组合，搭配氧化物固态电解质和无负极的结构，能够提供20-25%的比能量增加和超过35%的能量密度增加，而使用较薄的锂箔提供了约30%的比能量增加。同时，无负极的LFP||Li的电池组合比具有石墨负极的电池更低的电池成本。此外，LFP||Li电池组合的成本分别对无负极组合中固态电解质的成本，和锂箔组合中锂箔的成本最为敏感。相关研究成果“The Iron Age of Automotive Batteries: Techno-economic assessment of batteries with lithium metal anodes paired with iron phosphate cathodes”为题发表。
【核心内容】
一、技术经济评估
在过去十年中，锂离子电池的制造成本显著下降，搭配LFP正极的锂离子电池的成本约为80美元/kWh，而搭配NMC和NCA电池的成本约为100美元/kWh。作者使用最近的活性材料价格作为成本模型的输入，LFP成本建模框架中使用的2021年活性材料成本为7美元/千克，NMC-811为22.7美元/千克。目标在于，首先量化当用锂金属箔代替当前石墨负极，以及由固态电解质实现的无负极设计时比能量和能量密度的相对变化，并通过基于工艺的成本模型（PBCM）进一步比较电池制造成本，其主要是针对LFP正极材料而言。
图1a显示了为电动汽车（EV）设计的各种电池的比能量对比。鉴于LFP正极的比能量较低，由此构成的电池比能量均低于NMC||Gr电池。由于锂的高比容量，用厚度20µm~100µm之间的锂箔组装的LFP||Li-foil电池具有比LFP||Gr电池高30%以上的比能量。对于能量密度而言（图1b），锂箔存在相当大的不确定性，箔的厚度可以显著地导致能量密度在~495Wh/L和~590Wh/L变化。在没有锂箔的LFP||Li-AF情况下，能量密度显著提升至600 Wh/L以上，表明相对LFP||Gr能量密度增加30%。LFP||Li-AF能量密度的不确定性来自固态电解质的厚度，其被认为限制在10µm至20µm之间。

图1.不同搭配电池的能量密度和比能量。Gr表示石墨负极，LE表示液态电解质，SE表示固态电解质，AF表示无负极。
图2中显示了电池级制造成本估计的总结。目前使用LFP和NMC-811正极与石墨的锂离子电池的成本估计分别约为90美元/千瓦时和95美元/千瓦时。鉴于电池级锂箔的成本存在相当大的不确定性，在乐观的情况下，LFP||Li电池的成本可能高达160美元/千瓦时。类似地，对于LFP|SE|Li-AF，在固态电解质成本约为1.5美元/m的乐观情况下，电池制造成本可能约为70美元/kWh。
此外，PBCM能够用于分析电池输入变化的影响和敏感性，作为通过包含每个工艺的简单模型来构建电池所需的材料成本，制造工艺和支出。为了分析锂金属无负极电池，在模型中还实现了对电池设计的必要改变，以包括固态电解质的厚度和密度。典型PBCM中考虑的工艺包括材料制备，涂层，粘合剂和溶剂回收，分切等。使用缩放关系对这些过程进行建模，缩放关系对每个过程进行基线成本，根据体积对其进行缩放，最终得到价格。

图2. 四种电池的成本分析。
二、封装因素
与基于富镍正极的电池相比，LFP较高的安全性降低了电池的封装成本，特别是与NMC或NCA相比，LFP带来更大的热稳定性，允许其开发大型电池，例如比亚迪已经提出的电池。这使得电池的集成效率提高了40%。由于其高集成效率，比亚迪LFP电池具有最高的封装能量密度。
【结论展望】
总而言之，本文基于详细的技术经济分析，发现将Li金属与LFP正极配对可以缩小石墨/层状氧化物正极电池的比能量和能量密度差距，同时为石墨/层状氧化物正极之外的成本降低提供路径。除了电池水平之外，利用LFP实现更高的电池到电池组装效率，以及结构化电池的可能性。这两个因素以及通过将Li金属与LFP配对而实现的化学改进可能是市场电动汽车有吸引力的候选电池。
Shashank Sripad, Alexander Bills, Venkatasubramanian Viswanathan*，The Iron Age of Automotive Batteries: Techno-economic assessment of batteries with lithium metal anodes paired with iron phosphate cathodes, https://ecsarxiv.org/fx4p9/ 
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