鈉離子電池正極材料研究獲重要進展有望取代鋰電池
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-28 12:52
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鋰離子電池應用越來越貼近百姓生活，但地球上鋰資源十分有限，且開采成本高。開發(fā)一種替代電池成為各國科學家努力的重要方向。南京理工大學夏暉教授與中外團隊合作，首創(chuàng)結構設計和調控方法，在錳基正極材料研究方面取得重要進展，使低成本鈉離子電池有望取代鋰離子電池，相關成果發(fā)表在最新一期《自然·通訊》上。
鈉資源豐富，開采費用僅為鋰的百分之一，因而鈉離子電池的研發(fā)成為科研人員爭相“開墾”的領域。而層狀結構的錳酸鈉正極材料具有理論容量高、價格低廉及來源廣泛等優(yōu)點，使之成為鈉離子電池正極材料的熱門研究對象。
但由于錳酸鈉正極材料的層間距狹窄，充放電過程中，半徑較大的鈉離子在層間遷移時，會“擠壞”正極材料的結構，成為制約鈉離子電池研發(fā)的關鍵難點。除層間距外，影響鈉離子電池性能的另一重要因素為層狀結構中的鈉離子含量。不少科研人員嘗試通過各種方法制備出了不同層狀結構的錳酸鈉，但性能指標難以滿足實際應用需求。
夏暉教授團隊首創(chuàng)結構設計和調控方法，與中科院物理所谷林研究員及美國加州大學圣地亞哥分校孟穎教授合作，在水鈉錳礦層狀結構的基礎上，成功制備出兼具大層間距與高鈉離子含量的層狀納米正極材料。
這種正極材料制成的電極比容量達到211.9毫安時每克，而目前市面上流通的鋰電池正極材料比容量約為140毫安時每克。充放電過程中，這種正極材料結構穩(wěn)定無相變，體積變化僅為2%，循環(huán)充放電1000次后，比容量保持率高達94.6%，而電池行業(yè)一般的比容量保持率標準約為80%。
與鉛酸電池相比，鋰電池的能量密度高、壽命長、體積小、重量輕等優(yōu)點，被人們寄予替代鉛酸電池的厚望。三年前，有業(yè)內專家預測，在制造電動車領域，鋰電池在2015年可以替代大約20%的鉛酸電池，五年內可以實現(xiàn)大約替代30%的鉛酸電池。然而時值今日，鋰電池實際替代鉛酸電池不到10%，而未來兩年內要實現(xiàn)目標看來是非常的艱難。據(jù)最近行業(yè)協(xié)會預測的數(shù)據(jù)顯示：今年鋰電車的銷量約300萬輛，而整個電動車產銷量約3200萬輛。那么鋰電池替代鉛酸電池的主要障礙在哪里？
鋰電池性價比優(yōu)勢并不突出。據(jù)眾多經銷鋰電車的經銷商反映：采用國產鋰電池的電動車，返修率居高不下。國內實力雄厚的鋰電池企業(yè)與一般的中小鋰電池企業(yè)(pack)工廠制造出來的鋰電池其返修率竟然低到5%，高到13%左右的差距，價格十分的懸殊：以錳系材料的48V12Ah約500元/組左右，鎳鈷錳三元材料的鋰電池48V12Ah約650元/組左右。但是pack鋰電池48V12Ah只有約320元/組左右。但是這種pack鋰電池使用不到一年，電池容量大大衰減，已經無法再使用。而錳系材料和三元材料的鋰電池與鉛酸相比，除了體積小與重量輕之外，其余并沒有多大的優(yōu)勢，其使用達到2年以上，電池的衰減程度已經無法滿足行駛長距離的要求。
返修時間過長嚴重制約了消費者的使用。一旦出現(xiàn)鋰電池的故障進行返修，時間長則一個星期左右，甚至有的更長，讓消費者等待得不耐煩，失去了使用的信心。其原因是，經銷商無法維修或更換鋰電池內部出現(xiàn)問題的電芯，一定要通過快遞運送到制造企業(yè)，通過專業(yè)設備來進行電池的維修。這是制約鋰電池大規(guī)模替代鉛酸電池的關鍵之一。
鋰電池過于“嬌貴”，無法像鉛酸電池那樣經得起折騰。鋰電車在使用過程中，經不起摔扔撞擊，一旦鋰電池遭到刺穿，或者劇烈撞擊把鋰電池摔壞，鋰電池就有可能會產生燃燒與爆炸；鋰電池對充電器的要求很高，不能像鉛酸電池那樣隨便用馬路邊的投幣充電器來充電，一旦電流過大，擊穿鋰電池內的保護板就有可能產生導致燃燒甚至爆炸。
由于鋰電池產品質量良莠不齊，大量的低端鋰電池沖擊著市場，使得經銷商對鋰電車企業(yè)的選擇格外的小心謹慎，弄不好哪家制造企業(yè)一年半載之后就關門跑路，采購進來的鋰電車就要讓經銷商全部兜著處理了。由此可見，鋰電池要實現(xiàn)替代鉛酸電池，如果不改變上述的問題，再過五年恐怕也很難
