長續(xù)航動力鋰電池：新能源汽車的“未來芯”
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 10:00
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近日，有媒體報道，電動汽車制造商菲斯克(Fisker)剛剛申請了一項固態(tài)電池專利，這項專利使得電動汽車的續(xù)航能力提高到令人震驚的804公里，充電時間也縮短到一分鐘。
在國內，動力電池作為發(fā)展電動汽車的核心部件之一，一直是電池領域研究的熱點。在2016年啟動的國家重點研發(fā)計劃新能源汽車重點專項中，中國科學院物理研究所清潔能源實驗室研究員李泓負責的“長續(xù)航動力鋰電池新材料與新體系研究”項目，旨在研發(fā)高能量密度、高安全性鋰電池以提高電動汽車續(xù)航里程，項目提出的研究鋰離子電池、半固態(tài)鋰硫電池、固態(tài)鋰空氣電池三種長續(xù)航動力鋰電池，或將成為我國新能源汽車的未來之芯。
挑戰(zhàn)電池極限能量密度
“提高動力電池電芯能量密度達到400Wh/kg以上，將有利于顯著提高電動汽車的續(xù)駛里程。以北汽EV200為例，400Wh/kg電芯，相當于800Wh/L以上體積能量密度。保持現(xiàn)有電池包體積和每噸百公里電耗不變，一次充電不僅可以續(xù)航620公里；還可以降低成本、延長使用壽命，解決目前電動汽車與燃油車性能之間的較大差異。”日前，李泓接受科技日報記者采訪時說。
作為國家新能源汽車動力電池研發(fā)整體布局的一個重要環(huán)節(jié)，該項目的任務是在產業(yè)鏈最前端開發(fā)400Wh/kg以上能量密度的新型電池，積累高能量密度電池的關鍵基礎科學問題的認識與關鍵技術，并為企業(yè)同步開發(fā)300Wh/kg電芯提供重要參考依據(jù)和指導意見。
“長續(xù)航動力鋰電池新材料與新體系研究”研發(fā)團隊就是在該項目中承擔挑戰(zhàn)電池極限能量密度的任務。
量產電芯能量密度300Wh/kg可實現(xiàn)
記者從企業(yè)申報的公開研發(fā)方案中發(fā)現(xiàn)，對于300Wh/kg的鋰離子動力電池路線，有項目團隊選擇了高鎳正極和納米硅碳負極。
“從最近的進展看，量產電芯能量密度達到300Wh/kg的技術指標可以實現(xiàn)。”李泓說。
在近期的新體系電池研究方面，“長續(xù)航動力鋰電池新材料與新體系研究”研發(fā)團隊采用的富鋰材料為正極，硅碳材料為負極的電芯能量密度達到了348Wh/kg，而以富鋰材料為正極、金屬鋰為負極的電芯比能量達到573Wh/kg；鋰硫電池比能量達到600Wh/kg；一次鋰空電池比能量達到780Wh/kg。
“超過300Wh/kg的高能量密度電池的開發(fā)，負極含有金屬鋰是一個重要的共性技術。一些研究團隊提出采用固體電解質或混合固液電解質，來解決使用或含有金屬鋰負極的電池面臨的主要技術挑戰(zhàn)。”李泓說。
中國科學院在2013年11月布局了中國科學院戰(zhàn)略先導A類項目，該項目同時支持了固態(tài)電池的開發(fā)，其中三個團隊分別在聚合物、硫化物和原位固態(tài)化技術方面取得了進展。
技術路線清晰但仍面臨挑戰(zhàn)
“目前開發(fā)生產的液態(tài)電解質鋰離子電池的軟包電芯中，一般液體電解質重量百分比為15%—25%，負極為碳、硅等。從長遠看，未來需要發(fā)展全固態(tài)金屬鋰電池，負極含有金屬鋰，電池中不含任何液體。”李泓說。
雖然技術路線較為清晰，但目前面臨很大的挑戰(zhàn)。李泓說，從開發(fā)混合固液電解質電池和全固態(tài)金屬鋰電池產業(yè)來看，需要重點開發(fā)固體電解質和金屬鋰材料，解決界面離子和電子傳輸，以及體積形變、熱穩(wěn)定性問題。多數(shù)制造設備可以通過采用現(xiàn)有鋰離子電池和一次金屬鋰電池產業(yè)的制造裝備來實現(xiàn)。
此外，大規(guī)模生產金屬鋰電池的干燥房等生產環(huán)境控制技術也已經掌握。盡管開發(fā)混合固液電解質電池和全固態(tài)金屬鋰電池，還面臨很多科學與技術的挑戰(zhàn)，也包括控制成本方面的挑戰(zhàn)。
對于電池技術的描述，一般有質量比能量和體積比能量兩種說法：1質量比能量，就是單位質量下電池所攜帶的能量的多少，比如電動車、電動汽車市場對于電池的理解，多是以單位質量比能量去描述的。2體積比能量，一般指電池單位體積下所承載的能量值。目前主流手機電池的容量在2000~3500mAH，這樣的容量的電池，其質量往往只有幾十克，所以在移動消費級市場中，更關心的是電池的體積大小。
目前的科技發(fā)展來看，手機芯片可以輕輕松松的做的更小，就摩爾定律簡單來說，就是每隔幾年晶體管都會變得更小，讓芯片能夠容納更多，從而提高處理能力。但電池領域卻不是這樣。“在微處理器領域，一切都只為了把東西做得更小。但到了鋰離子電池，如果你想提高能量密度，換句話說就是增加手機的續(xù)航時間，那你就必須要從根本上改變電池里的材料。”這當然不會是“那就換材料唄”那么簡單，因為內部材料組成的平衡哪怕有一點不對都可能會導致嚴重的問題。
三星GalaxyNote7的爆炸事件震驚了整個業(yè)界，這也讓人們在研究時變得更加小心翼翼，更重視每一步的測試。業(yè)內人士透露說此前許多廠商都開始抱有僥幸心理，想要強行推進電池能量密度的增長。三星電池事件是一個警醒，迫使所有人的節(jié)奏都慢了下來——當然了，注意安全肯定是一件好事。
回顧十年手機電池的發(fā)展，大概可以分為三個階段。
第一個階段，鋰離子聚合物電池的興起。
傳統(tǒng)的鋰離子電池使用的是普通液態(tài)鋰電解質，但缺點是體積大，電能轉化率低。像老一代大塊頭摩托羅拉，電池大小就占手機厚度的二分之一，雖說那時候的手機待機兩三天也沒問題，但那時候的手機是1.4英寸的灰度屏幕,才96×65像素點。在2005年以后，聚合物電解質的鋰離子電池開始嶄露頭角。相對于之前的液態(tài)鋰離子電池來說，聚合物鋰離子電池除了在電化學特性上更有優(yōu)勢外，更重要的，是塑型更加靈活，能讓電池做的更薄，體積利用率更高。
第二個階段，手機電池的穩(wěn)定期。
2010 年以前，尤其是2007年以前，鋰離子聚合物電池的興起讓手機電池容量有了長足的提高。但是隨著技術的成熟，電池比能量提高的速度開始減緩。更重要的是，隨著電池能量的加大，安全問題開始浮現(xiàn)在我們眼前。很多廠家開始著眼于提高電池的安全性指標，在電池的外殼防護上下了一些功夫。雖然不能提升電池的能量密度，但是在長期發(fā)展來看，還是必要的。因為能量密度增加，出現(xiàn)問題的損失也會越大。
第三個階段，手機電池的第二次能量密度提升。
到 2013年以后，手機電池開始有一次的提升了能量密度。這里面有材料的原因，電池廠家通過改善工藝，提高了材料的壓實密度，或通過其他的手段，讓電池的容量有了進步。同時，繼iphone之后，市場上手機電池變得不可拆卸。通過電池和手機的“一體化”，省去了原來電池的硬殼保護，提升了電池的能量密度，或者根據(jù)電池結構，開發(fā)異型電池等。除此以外，更直接的一種方法，是提高電池的電壓。普遍的，通過將電壓平臺提高0.1V左右，提高電池的能量。目前，主流的手機電池能量密度保持在600Wh/L左右，有些廠家的產品會稍微高一些，比如小米手機，電池能量密度在620Wh/L以上，但受限于技術電池的能量密度也是有臨界點的。曾有報道說，當能量密度達到700Wh/L的時候，可能使電池的可充分循環(huán)壽命小于300次，爆炸的隱患大大增加。
