为了通过材料优化来提升电池的峰值性能，电池技术的创新至关重要。此类创新由“法拉第电池挑战赛”（英国研究与创新挑战基金的一部分）等项目推动，该项目在2017年至2025年间拨款5.41亿英镑，旨在促进英国电池产业的蓬勃发展。 在欧洲专利局，2023年与电池相关的专利申请量增长了28%。
迄今为止的故事
在电池技术领域，阳极、阴极和电解质等组件均是研发的重点，旨在制造并推广既可持续、高效又经济实惠的电池。
不难看出，在将电池材料推向市场时，需要考虑的主要因素包括能量密度、功率密度、成本和使用寿命。在电池行业中，必须在这几项因素之间找到平衡点。
根据欧洲专利局的数据，创新仍主要集中在锂离子电池领域：45%的电池相关专利申请涉及该技术，而其他电池化学体系仅占7.3%，其余则侧重于制造和工程方面的内容。
迄今为止，锂离子电池技术的大部分进步都集中在新型正极材料的研究及其后续应用上。正极材料之所以成为电池研究的重点，是因为它是电池中最昂贵的组件。常见的正极材料通常以钴、镍和锰的氧化物为基础，有研究估计，按照当前的市场需求，钴资源将在2030年前耗尽。 因此，寻找替代材料对于降低对日益减少的钴资源的依赖至关重要。
下一章
对阳极材料的研究尚不充分，这意味着通过优化阳极——无论是单独优化还是与阴极优化相结合——都有很大的潜力来提升电池性能。
当前的锂离子电池技术主要采用三种不同的负极材料：石墨、硅和钛酸锂（LTO）。
石墨目前是最常见的材料；据估计，90%至95%的锂离子电池都采用石墨负极。充电时，锂离子可通过插层方式轻松储存在石墨层间；放电时则发生脱插层。石墨的平均能量密度处于中等水平。这是三种材料中价格最实惠的，且使用寿命尚可，在数百至数千次充放电循环之间。 尽管放电时的功率密度表现良好，但在快速充电时仍存在安全限制。这些安全限制可归因于锂树枝状晶体的形成或锂沉积现象——由于负极无法以足够快的速率吸收锂离子，充电过程中负极表面会形成金属微结构。这些锂树枝状晶体可能导致内部短路，进而引发电池的灾难性故障。
高能量密度电池中采用了硅或二氧化硅作为负极材料。硅基负极的高能量密度可能归因于其强大的锂离子存储能力——每个硅原子最多可结合3.75个锂离子，而石墨中的每个碳原子仅能结合1/6个锂离子。 将硅或氧化硅与石墨混合使用，可获得比纯石墨负极更高的理论容量。硅基负极材料价格实惠——虽然比石墨贵，但明显低于LTO——且功率密度良好。硅基负极材料的主要问题在于其寿命。在锂离子的插层或脱插过程中，负极结构会发生巨大的体积波动，导致其寿命仅能达到几百次充放电循环。
LTO 负极材料具有高功率和长寿命的特点，其寿命可能比石墨和硅基电池长达十倍。 经过优化后，其循环次数可合理预期达到数万次，且基于LTO的电池充电速度明显快于其他替代方案。然而，晶体结构中能容纳的锂离子数量有限，导致电池体积过大，成为一个棘手的问题；以电动汽车为例，整辆车约有一半的空间会被电池占据。出于同样的原因，采用LTO阳极的电池成本非常高昂。
目前在负极材料领域的研究包括硬碳和 软碳基材料的开发。这些材料的耐压性能优于石墨，且不会形成树枝状晶体，从而提高了电池的安全性。与这些材料相关的问题包括减少副反应和锂损失。混合铌氧化物材料也是备受关注的负极材料，因为它们不仅具备LTO的优点，而且能量密度更具竞争力，成本也更低。
发展潜力
显然，在广泛的应用领域中，阳极技术仍有进一步发展的潜力，以克服当前电池技术面临的挑战和局限性。
根据麦肯锡发布的《2030年电池报告》，锂离子电池的需求预计将以每年约27%的速度增长，需求量将从2022年的约700 GWh增至2030年的约4.7 TWh。 预计锂离子电池产业链规模将从2022年的约850亿美元增长至2030年的超过4000亿美元。
因此，我们可以预期，在未来几年里，电池技术领域的创新和专利申请活动将持续进行。
Barker Brettell 设有专门 负责汽车和能源行业的团队，可为您提供协助和建议。如果您有需要获得保护的发明，请随时联系本文作者或您惯常合作的Barker Brettell 律师。
“显然，在广泛的应用领域内，进一步开发阳极技术具有巨大潜力，这有助于克服当前电池技术面临的挑战和局限性。”
