新型固態(tài)鋁離子電池可替代鋰離子電池嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-27 10:40
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私人、公共和商業(yè)運(yùn)輸(汽車、公交車、卡車)等電動汽車對電池需求不斷增加，因而人們開始研發(fā)鋁離子電池以滿足需求。而電動汽車需要大量的電力才能正常運(yùn)行，因而對電池產(chǎn)生了高要求，導(dǎo)致電池必須能夠進(jìn)行快速、劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，以驅(qū)動外部電力(如電機(jī)、電子設(shè)備等)。但是此類反應(yīng)反過來會對電池造成很大的機(jī)械壓力和熱應(yīng)力。而目前的電池技術(shù)使用液體作為電解質(zhì)，此類介質(zhì)有助于將離子從一個電極傳輸至另一個電極，但是此類電解質(zhì)由有機(jī)分子組成，極易燃燒和揮發(fā)。因此，導(dǎo)致電動汽車電池由較高的爆炸、起火、排氣或故障的安全風(fēng)險。
美國雪域大學(xué)(Syracuse University )的侯賽因研究小組(Hosein Research Group)研發(fā)出一種新型固體電解質(zhì)，用以替代目前鋁離子電池中的液體電解質(zhì)，使其能夠滿足汽車等高需求應(yīng)用。該電解質(zhì)由一種非常柔軟的聚合物和一種非常堅硬的環(huán)氧樹脂組成，聚合物也讓鋁離子滲透，而環(huán)氧樹脂提供了熱穩(wěn)定性和耐久性。該聚合物通過溶解鋁鹽(如硝酸鋁)到聚合物基質(zhì)中轉(zhuǎn)化為鋁離子電解質(zhì)。
目前，侯賽因研究小組正積極致力于實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋁離子電池的制造，該電池的包括電解質(zhì)在內(nèi)的所有組件都是固態(tài)，將幫助將鋁離子電池納入汽車等高需求應(yīng)用中。
鋁離子電池是很有前景的下一代電池技術(shù)，可以滿足未來的能源輸送需求，結(jié)構(gòu)與鋰離子相同，只是鋰被鋁所取代了。鋁是地球地殼中第三豐富的元素，也是非常廉價的鋰金屬替代物。由鋁制成的電池具有最高電壓，可存儲最多能量，并且提供最高電流，其存儲容量是鋰離子電池的4倍，而且攜帶的電荷是鋰離子電池的3倍。
而鋰只占地球地殼的0.7%，人們越來越擔(dān)心鋰離子電池能否滿足全球日益增長的需求，而且其不斷上升的成本以及高度稀缺性也迫使人們開始尋找和研發(fā)更可行的替代方案。鋁離子電池可能就是后鋰離子電池時代的下一代存儲技術(shù)。
通常來說，鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜、電解液等部分組成，無論是最初的鎳氫電池、錳酸鋰電池、后來的磷酸鐵鋰電池，還是如今已廣為人知的三元鋰電池（鎳鈷錳和鎳鈷鋁），說的其實(shí)都是電池的正極材料，對電芯能力密度影響最大的就是它。
所周知，磷酸鐵鋰電池在能量密度方面的提升空間已非常有限，不提升能量密度，就無法提升電動車的續(xù)航里程。于是，動力電池的生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始由磷酸鐵鋰電池全面倒向三元鋰電池的優(yōu)化升級，但從長遠(yuǎn)來看，這些方式都很難讓三元鋰電池的能量密度突破300Wh/kg。那么，這個行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同的研發(fā)瓶頸出現(xiàn)后，應(yīng)該如何捅破天花板完成未來目標(biāo)呢？（2020年350Wh/kg，2025年400Wh/kg，2030年500Wh/kg），下面就輪到固態(tài)電池登場了！
使用固態(tài)電解質(zhì)的鋰電池可以擺脫石墨材料的束縛，轉(zhuǎn)而去采用金屬鋰作為負(fù)極，使得整個電池系統(tǒng)的能力密度大大提升。從現(xiàn)在的試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，300-400Wh/kg能量密度的全固態(tài)電池已經(jīng)不在話下，有人預(yù)測未來達(dá)到900Wh/kg也不是沒有可能。更重要的是，固態(tài)電池可以在更高溫（可長期在60-120°C溫度下）、更大電流、更高電壓下工作，較液態(tài)電解質(zhì)鋰電池應(yīng)用范圍更加廣泛。
正因如此，盡管目前全固態(tài)電解質(zhì)的成本非常昂貴，但全球各大相關(guān)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)都紛紛將固態(tài)電池技術(shù)作為重要研發(fā)方向。
而就在上周末舉行的“2018中國電動汽車百人會論壇”上，新興固態(tài)電池的開發(fā)同樣成為關(guān)注的焦點(diǎn)。
就連工信部部長苗圩也在致辭中強(qiáng)調(diào)，在我國新能源汽車發(fā)展的下一步工作中，要“重點(diǎn)攻克下一代鋰電池和固態(tài)電池等新體系電池的關(guān)鍵核心技術(shù)”。他強(qiáng)調(diào)，“我們2020年單體電池要做到350瓦時每公斤，模組要做到260，這個還是蠻有挑戰(zhàn)的。（我們要）提升正向設(shè)計開發(fā)的能力，不斷提高整車的輕量化和智能化水平，努力使整車性能達(dá)到甚至超過燃油汽車。”
其實(shí)，正如中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長、中國科學(xué)院院士歐陽明高評價的那樣，“2017年是固態(tài)電池最火熱的一年”。
據(jù)歐陽明高介紹，“日本在無機(jī)硫化物固態(tài)電解質(zhì)方面取得重要突破，豐田公司出臺固態(tài)電池量產(chǎn)計劃，在2022年實(shí)現(xiàn)商品化。”
2017年10月，豐田汽車公司副社長迪迪爾·勒羅伊宣稱要在2025年前推出新一代電池“固態(tài)電池”，其能大幅增加電動車?yán)m(xù)航里程。他表示，豐田公司正投入200多人進(jìn)行開發(fā)，并強(qiáng)調(diào)豐田在固態(tài)電池方面的專利為世界第一。去年底，寶馬宣布與電池技術(shù)公司SolidPower建立新的合作關(guān)系，目的正是進(jìn)行固態(tài)電池的研發(fā)，以用于商業(yè)化電動汽車的搭載。
而日立公司也宣布其固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)研發(fā)完成。“公司現(xiàn)在就可以提供與當(dāng)前鋰離子電池相同性能的固態(tài)電池，能更好的處理溫度變化，擁有更長的循環(huán)壽命。”日立佐森總裁Takashi Tanisho透露，“目前已經(jīng)將固態(tài)電池的樣品送到了航空航天和汽車行業(yè)的潛在客戶。”
與此同時，我國國家電池創(chuàng)新中心和中科院物理所在減緩富鋰錳基固溶體材料衰減、北京大學(xué)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在開發(fā)新結(jié)構(gòu)的富鋰正極材料等項(xiàng)目上也取得了不同程度的進(jìn)展，歐陽明高表示：“大家知道三元811正極比容量只有210毫安時/克，現(xiàn)在新結(jié)構(gòu)富鋰正極材料已經(jīng)做到400毫安時/克，這為實(shí)現(xiàn)鋰離子電池500瓦時/公斤的目標(biāo)提供了可能性。”
