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锂电池世界的“四大金刚”

作者:中国储能网新闻中心 来源:OFweek 锂电网 发布时间:2015-05-23 浏览:
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中国储能网讯:锂电池在我们的生活中到底扮演着一个什么样的角色呢?

不知道您闲暇时分有没有思考过类似的问题。但即便对此一无所知,看看您手上握着的手机,大概心里也会有个底儿。除非是立志要过原始化的生活,否则锂电池就肯定会在您的生活中占据一席之地。

好的,这个很确定,那锂电池有没有什么是困惑到您的呢?可能很多人会一拍大腿,道出“续航”二字。作为“不玩手机就会死星人”,这个大概是关系到生命的大事。

那有没有什么办法能很好地解决手机或是其它需要使用到锂电池的设备的续航问题呢?答案是暂时还没有。

其实,目前存在于实验室中的一些电池“号称”能解决这个问题,但是无法商用就约等于不存在。当然,种种瓶颈在未来都会引刃而解。我们不妨先一睹为快,看看这些前沿锂电池技术及其“虎视眈眈”的对手们上演一场精彩绝伦的科技大战吧。

锂电池世界的“四大金刚”

1、全固态锂电池

中国工程院陈立泉院士曾经说过:“下一代锂电池应是全固态锂电池,如果现在还不布局全固态锂电池,将会错失发展时机。”

全固态锂电池之所以称为“全固态”是因为其电极和电解液都是固态的。全固态电池有一个很突出的优点,安全性比液态锂电池要高许多,不易发生爆炸,而且其功率重量比较高,可以有效地缩小体积,所以业内认为它是电动汽车理想的动力来源之一。

除安全性较传统锂电池优越外,全固态锂电池还有一个很大的优势,就是充放电循环寿命很长,最长可达45000次,并保存95%的初始容量,这点让其它种类电池望尘莫及。

细数前沿锂电池技术及其“虎视眈眈”的对手

年初Sakti3公司曾获得戴森公司1500万美元的研发投资资金,就是与固态电池相关。Sakti3声称已制造出能量密度达每公升1.1kWh(即550Wh/kg)的电池,这一能量密度要比锂离子电池高出约50%,能让电动车的续航里程从256英里(约412公里)提升到480英里(约772公里),但这一数据没有经过独立测试。

这么牛的电池为何不能商用呢?目前瓶颈主要存在如下:

1、室温电导率普遍较低(<10-3S/cm),电池倍率充放电性能较差;

2、固态电解质/电极间界面阻抗大,界面相容性较差,界面锂离子电导率较低,固态电解质在充放电过程中体积膨胀和收缩,导致界面容易分离;

3、低温性能仍然有待进一步提高;

4、有待设计和构建与固态电解质相匹配的电极,研究和开发出适合于固态电解质的锂离子电池体系。

2、锂硫电池

锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池,基于硫与锂之间的可逆电化学反应来实现能量储存和释放。其理论比能量可达2500 Wh/kg(能量密度为1675mAh/g),远远高于目前商用的锂离子电池。而且值得一提的是,硫的成本较低,并且对环境友好,基本不会造成污染。所以锂硫电池是一种非常有前景的锂电池,有望被应用于动力电池、便携式电子产品等领域。

细数前沿锂电池技术及其“虎视眈眈”的对手

但是,锂硫电池的应用难度与其优点一样为众人所知,主要存在以下三个问题:

1、锂多硫化合物溶于电解液,可能降低硫电极的稳定性;

2、硫作为不导电的物质,导电性非常差,不利于电池的高倍率性能;

3、硫在充放电过程中,体积的扩大缩小非常大,有可能导致电池损坏。

解决的方法要从电解液和正极材料两个方面入手,科学家门正在研究中。

锂硫电池最大的意义是能真正提升电池容量是,相信很快,我们便不会为尴尬的智能手机续航力而烦恼了。

3、石墨烯锂电池

现如今,电动车续航成为人们最头痛的问题之一,就连业界巨头特斯拉的Roadster升级版跑车都仅能达到644公里的续驶里程,如果此时有人告诉你:“有这么一种电池,一次充电时间只需8分钟,可行驶1000公里。”相信很多人都会惊呆了,这种电池就是石墨烯电池,因为性能彪悍,所以被唤作“超级电池”,甚至被“妖魔化”。

相信大家都知道石墨烯是什么,这里就不赘述了。重点是石墨烯的结构可以改变锂电池技术长期没有突破的障碍。石墨烯阳极材料比如今锂离子电池中惯用的石墨阳极充电或放电速度快10倍。“超级电池”参数显示,其能量密度超过600wh/kg,是目前动力锂电池的5倍;使用寿命是目前锂电池两倍;其成本将比目前锂电池降低77%。

石墨烯的导电性很好,可以提升充电速度,减少充电时间,宏观上可以大范围减少充电站和充电桩的需求。以目前全球领先地位的特斯拉Model S P85D为例,其通过大功率的超级充电站充电,也要80分钟才能充满,车主等充电的时间仍然是一次煎熬。

细数前沿锂电池技术及其“虎视眈眈”的对手

锂电池传统制造强国是日本和韩国,在石墨烯电池上他们也正在抢夺技术先机,韩国科学家早在去年11月就宣布,最新发明的石墨烯超级手机电池,可存储与传统电池等量的电量,但充电时间只需16秒。而我国的石墨烯电池是今年三月份才上市,而且是否代表石墨烯的“商用”仍有待商榷。

从2004年面世至今,石墨烯一直处在风口浪尖上,但其若真是突破了技术限制,被运用在电池上,那“颠覆”二字的确是担得起的。

4、锂-空气电池

现在跟大家讲一下最牛的前沿锂电池。

麻省理工学院曾发表过一篇阐述电池领域为何没有取得突破的文章,并提到了最有可能成为下一代电池技术的选择。一个是上面介绍的锂硫电池,还有一种就是锂-空气电池。锂-空气电池的理论能量密度能达到锂离子电池的十倍,它是迄今为止能量密度最大的储能器件,和汽油相当。

一块锂-空气电池可使汽车轻松行驶350英里以上,不需消耗汽油,并且相比于传统电池体积更小也更便宜。但是很难使得锂空气电池的电池容量接近理论值,其氧化薄膜的关键问题也没有得到解决。

细数前沿锂电池技术及其“虎视眈眈”的对手

众所周知锂-空气电池两个最大的问题是效率低以及不能多次充放电。当锂离子和氧气发生反应生成锂氧化物时,锂-空气电池产生电流。而锂-空气电池的充电过程则涉及到该反应的逆反应--锂氧原子间的化学键断裂,并且释放氧气。致命问题在于生成的锂氧化物会覆盖在电池电极上,从而隔绝了电极与催化剂的接触,进而减缓反应进程。

如此说来,全固态锂电池可能比锂-空气电池商用的时间要早得多。

我们上面介绍了锂电池界的“四大金刚”,接下来就看看和它们分庭抗礼的另外四种电池。

未来有无限可能

1、铝离子电池

本年度4月份,电池世界发生了一次“强震”。如果您稍有了解,就会知道小编接下来要说的是铝离子电池。

美国斯坦福大学的一个研究小组当时发表了关于铝离子电池的论文。据介绍,这种铝离子电池能实现快速充放电,且循环次数高达7500次后容量仍毫无损失,性能远超普通锂电池(一般为300次)。另外,这种铝电池具有高效耐用、可超快充电、低可燃性、高安全性、低成本等特点。

一石激起千层浪,专家和媒体一致认为这是电池行业的重大突破。据悉,新研制的可充电铝电池要比被国际多家航空公司明文“禁运”的锂离子电池要高得多,铝电池不会爆炸。另一方面,目前配备锂离子电池的智能手机充电可能需数小时,但使用这种铝电池,为手机充满电只需一分钟。

细数前沿锂电池技术及其“虎视眈眈”的对手

不过,新铝电池产生的电压仅为传统锂电池的一半,研究小组希望能通过提升正极材料的性能,最终提高铝电池的电压并增加能量密度。

而由于作为电解液的等离子液体成本较高,因此这种新型铝电池距离生产还有一定的距离,商业上可行的铝电池也尚未问世。但毋庸置疑的是,铝离子电池前景广阔,如果能及早投放市场,一定会深受消费者喜爱。

2、铝-空气电池

接下来这一位又是铝电池,但细分下来,它属于是金属-空气电池。

2014年,Alcoa(美铝公司)和以色列Phinergy公司在位于蒙特利尔的维伦纽夫赛车场对一台电动车进行了测试。本来是很稀松平常的一件事,但后面的结果十分惊人。这辆测试车在搭载了两家公司联合开发的铝-空气电池后,续航里程增加到994英里(约合1600公里)!

细数前沿锂电池技术及其“虎视眈眈”的对手

这是什么概念呢?抗日神剧中的800里(北京到呼和浩特的直线距离)射程的4倍就是1600公里!相关资料显示,铝-空气电池的理论比能量可达8100Wh/kg,2014年的铝空气电池的实际比能量只达到350Wh/kg,但也是铅酸电池的7~8倍、锂电池的2.3倍。采用铝-空气电池后,车辆能够明显地提高续驶里程。

这是能秒杀所有电池的数据,小编也不得不多向大家介绍这种电池。

铝空气电池还有方便维护的优点。按照现在的技术方案,铝-空气电池主要是作为锂电池的补充电源,用户只要每一到两个月注入自来水以支持化学反应,每年让技术人员对它进行一次保养即可。据称该电池的寿命可达20到30年。而且,100公斤重的铝-空气电池可储存供行驶3000公里的足够电量,只需每月加注清水。相比之下,业界骄傲的特斯拉Model S的电池超过500公斤,而行驶里程不到500公里。

但是,铝-空气电池在放电过程中阳极腐蚀会产生氢,这不仅会导致阳极材料的过度消耗,而且还会增加电池内部的电学损耗。直白一点地讲,100公斤重的铝空气电池行驶完3000公里后,电池的寿命就结束了,需要重新安装,即补充金属铝。这成为铝-空气电池的商业化进程的最大障碍。

另外,铝-空气电池的副反应较多、反应过程不易控制,部分反应生成物一定程度上阻碍反应继续进行,释放大量热,同时产生易燃易爆气体。从实验结果来看,铝空气电池更适合作为续航备用电池,也就是说,一辆电动汽车的标配能量应该是,实际使用中取铝空气电池所长,获得更长的续驶里程,同时也要补铝空气电池所短,配一个功率型的电池,使车辆具备不错的动力性能。

3、钠离子电池

业界一直在讨论锂离子电池的继任者到底是什么?而有部分专家认为是钠电池。

钠离子电池之所以受到关注,是因为作为其主材料的钠资源几乎取之不尽用之不竭,制造成本不到锂电池三分之一。而且这种电池兼具单位体积存储能量多和使用寿命长等优点,可持续5千次充放电循环,效率超过85%,据说可以将传统锂电池的续航能力提升7倍。

日本科学家正在研发全新材料的钠离子电池,与传统智能手机中的锂电池完全不同。现阶段的钠电池已进入实用化阶段,但这种电池工作时需加热到250摄氏度以上,以使其正极的硫和负极的钠处于熔融状态,保持电池内部的低电阻。钠离子电池最大的缺点之一是电池的充、放电时间过长,同时缓慢的放电速率不能给大功率设备输出足够的功率密度。一般而言,在充、放电速率和容量之间有一个权衡,以便在提高充、放电速率的同时不会显著降低电池容量。

细数前沿锂电池技术及其“虎视眈眈”的对手

钠离子尺寸比锂离子大了25%。更大的尺寸使钠离子很难嵌入发生化学反应所在的电极晶体结构中。因此钠离子的移动速率就比较慢,这成为了钠离子电池充、放电速率慢的根源。与该问题相关的还有电荷传输速率和材料的稳定性也需要提高。

4、镁电池

通常情况下,镁离子都以2价正离子(Mg2+)的形态存在,这意味着它如果在电池中充当“搬运工”的话,每次最多可携带两枚电子。所以,理论上来讲,如果两块电池分别使用了同等密度含量的镁离子和锂离子,使用镁离子作为传递电子介质的电池能量存储密度将是锂电池的两倍(锂离子是+1价)。

但是瓶颈在于当镁离子和两个负1价的电子结合时,整个原子核就拥有了两倍的负电荷,而负电荷量越多,吸引其他镁离子的能力也就越强。因此,当镁离子携带着两倍的电荷,要在充满电解液的两极之间运动的话,速度自然慢了很多。电脑模型显示电解液中的镁离子只会受到相邻四个其他离子的影响。

细数前沿锂电池技术及其“虎视眈眈”的对手

鉴于此,未来如果要研发能量存储密度更高的镁离子电池,挑选一种既能发挥电池全部功能同时也有利于镁离子移动的电解液,便成了当务之急。

除了上面提到的优势之外,相比锂,金属镁的开采成本较低,同时利用价值却很大。丰田目前已经在相关技术上投入了巨资,而特斯拉CEO马斯克也曾多次在公开场合表态,特斯拉及其超级电池工厂已经做好了“拥抱”镁电池的准备。从传统锂电池到镁电池的转型,在电池设计方面并不会受到太大的影响,工厂只需更新相应的流水线作业工具,即可轻松造出两倍能量密度的特斯拉镁电池。

结语:

或许看到这么多前沿的电池技术,再看看现在的手机和电动汽车的续航会有一阵眩晕感,但科技的进步往往是厚积薄发。一蹴而就是只存在于理想世界的词语,我们还是期待科学界早日的突破吧。

关键字:锂电池 储能电池

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