合研新一代氟化物電池：比鋰電密度高還環(huán)保
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-02 12:55
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本周刊登在“科學(xué)雜志”上的一篇論文顯示，本田研究所與加州理工學(xué)院(Caltech)、美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家合作開發(fā)一種新的電池化學(xué)物質(zhì)，它可以提供一種能源密度更高、更環(huán)保的鋰離子電池替代品。
目前，世界上的電動(dòng)汽車（少數(shù)例外）都是由鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的。鋰離子比鎳氫等舊電池化學(xué)物質(zhì)有很多好處，比如充放電率更高，不容易產(chǎn)生“記憶效應(yīng)”等。
當(dāng)然，鋰離子電池也有一些明顯的缺點(diǎn)，即對(duì)鋰和鈷的開采會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，電池也很容易著火且一旦燃燒就很難熄滅。
此次，本田、美國(guó)宇航局和加州理工學(xué)院正開發(fā)的是基于氟化物的化學(xué)電池。
氟化物最令人興奮的好處之一是它的能量密度比鋰高得多。這將意味著一輛配備了這種新電池技術(shù)的電動(dòng)汽車可以現(xiàn)行物理尺寸下行駛更遠(yuǎn)，或者達(dá)成相同距離時(shí)所需的電池組體積小得多。
氟化物離子電池技術(shù)并不是第一次提出，但它的早期版本需要固態(tài)電解質(zhì)被加熱到149攝氏度才能正常工作。此次的進(jìn)展是創(chuàng)造了一種室溫液體氟化物電解質(zhì)(又稱四烷基銨鹽-氟化醚組合)和三氟化鑭核殼負(fù)極(也是一種新的發(fā)展)。
隨著新能源汽車的發(fā)展，新能源汽車電池的創(chuàng)新也越來越多。新能源汽車電池就是使用新能源技術(shù)減少“溫室氣體”排放污染的新型汽車電池。那么新能源汽車用什么電池？
新能源汽車電池可以分為兩大類，即蓄電池和燃料電池。蓄電池適用于純新能源汽車，可以歸類為鉛酸蓄電池、鎳基電池（鎳一氫及鎳一金屬氫化物電池、鎳一福及鎳一鋅電池）、鈉？
電池（鈉一硫電池和鈉一氯化鎳電池）、二次鋰電池、空氣電池等類型。而燃料電池專用于燃料電池新能源汽車，可以分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）等類型。
新能源汽車電池組由多個(gè)電池串聯(lián)疊置組成。一個(gè)典型的電池組大約有96個(gè)電池，充電到4.2V的鋰離子電池而言，這樣的電池組可產(chǎn)生超過400V的總電壓。盡管汽車電源系統(tǒng)將電池組看作單個(gè)高壓電池，每次都對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨(dú)立考慮每個(gè)電池的情況。
如果電池組中的一個(gè)電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過多個(gè)充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。
如果這個(gè)電池的充電狀態(tài)沒有周期性地與其它電池平衡，那么它最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)p壞，并最終形成電池組故障。為防止這種情況發(fā)生，每個(gè)電池的電壓都必須監(jiān)視，以確定充電狀態(tài)。此外，必須有一個(gè)裝置讓電池單獨(dú)充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。
新能源汽車用什么電池？
1、鉛酸電池
代表企業(yè)或車型：長(zhǎng)安汽車、北汽集團(tuán)、長(zhǎng)城汽車、吉利汽車、上汽通用等傳統(tǒng)燃油車，一般采用鉛酸電池作為車輛供電裝置，目前市面上大部分低速電動(dòng)車也采用鉛酸電池。
第一代電動(dòng)汽車EV1采用的就是鉛酸電池，是由美國(guó)通用汽車公司在1996年生產(chǎn)，而鉛酸蓄電池由 Gaston Plante在 1859 年發(fā)明，從發(fā)明到被應(yīng)用在電動(dòng)汽車歷經(jīng)137年。所謂鉛酸蓄電池是以氧化鉛為正極板，以海綿鉛為負(fù)極板，硫酸水溶液作為電解液。鉛酸蓄電池是目前在汽車領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的電池，主要作為內(nèi)燃機(jī)汽車內(nèi)部各種電器和電子設(shè)備的供電電源。
鉛酸蓄電池分封閉式和非封閉式兩種。封閉式不須維護(hù)，允許深度放電，可循環(huán)使用，價(jià)格低廉，已成為大多數(shù)傳統(tǒng)燃油汽車供電裝置。例如，別克威朗就使用的免維護(hù)式鉛酸蓄電池。不過鉛酸蓄電池能量小和功率低是其致命弱點(diǎn)。
業(yè)內(nèi)專家指出，一個(gè)單格鉛酸電池的標(biāo)稱電壓是2.0V，能放電到1.5V，能充電到2.4V；在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常用6個(gè)單格鉛酸電池串聯(lián)起來組成12V的鉛酸電池，還有24V、36V、48V等，使用壽命一般為3年。
“功率、密度是可以通過增大電極的表面積來提高的，但是將會(huì)增加侵蝕速度從而縮短電池的使用壽命。”清華大學(xué)電機(jī)系副教授胡澤春表示，“充放電方式也會(huì)嚴(yán)重影響它的使用壽命，長(zhǎng)期過度充電和過度放電都會(huì)導(dǎo)致電池壽命縮短。”
鉛酸蓄電池之所以在過去 50年被廣泛應(yīng)用，除有成熟的技術(shù)、可以大批量生產(chǎn)、生產(chǎn)成本低外，可換性及價(jià)格便宜也占主導(dǎo)性因素。盡管新電池技術(shù)不斷地產(chǎn)生，但鉛酸蓄電池至今仍作為動(dòng)力源，主要應(yīng)用于旅游觀光車、電動(dòng)叉車或者一些短距離行駛的公交車上。
2、堿性電池
代表企業(yè)或車型：一汽豐田混動(dòng)車型、長(zhǎng)安福特混動(dòng)車型、雷克薩斯RX400h、保時(shí)捷Cayenne等，一般使用鎳氫電池作為動(dòng)力電源。
所謂堿性電池由鎳基和堿性溶液電解液構(gòu)成，主要有鎳鎘電池、鎳鋅電池和鎳氫電池 3 種，其中鎳氫電池相對(duì)于鎳鎘、鎳鋅電池，比能量較高并對(duì)環(huán)境無污染。
業(yè)內(nèi)專家指出，鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，電量?jī)?chǔ)備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長(zhǎng)。鎳氫電池的缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。據(jù)悉，1999年通用汽車研發(fā)的第 2 代電動(dòng)汽車就是以鎳氫電池為動(dòng)力源，但最終因無競(jìng)爭(zhēng)力而退出市場(chǎng)。不過日本豐田汽車公司利用鎳氫電池技術(shù)制造了將內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)相結(jié)合的第 3 代電動(dòng)汽車，即混合動(dòng)力車（HEV）。
鎳氫電池成為在電動(dòng)汽車電池技術(shù)研究領(lǐng)域和市場(chǎng)應(yīng)用中最受關(guān)注的電池，相對(duì)鉛酸電池，鎳氫電池在能量體積密度方面提高了 3 倍，在比功率方面提高了 10 倍。這項(xiàng)技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)包括：更高的運(yùn)行電壓、比能量和比功率，較好的過度充放電耐受性和熱性能。
“不過，鎳氫電池應(yīng)用也有一定的受限性，其在低溫時(shí)容量減小和高溫時(shí)充電耐受性不佳；此外，價(jià)格也是制約鎳氫電池發(fā)展的主要因素，原材料如金屬鎳非常昂貴。鎳氫電池雖比鉛酸電池儲(chǔ)存更多的能量，但過放電會(huì)造成永久性損傷，荷電狀態(tài)必須被限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，電池儲(chǔ)存的大部分能量并沒有被實(shí)際使用，如豐田 Prius 只能使用電池 20%的能量。”業(yè)內(nèi)專家表示。
3、鋰離子電池
代表企業(yè)或車型：本田混動(dòng)、別克混動(dòng)等，例如本田雅閣銳混動(dòng)、別克君越混動(dòng)。
鋰離子電池可分為鋰離子電池和鋰聚合物電池2 種。鋰離子電池的陰極材料主要有鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰錳氧化物、磷酸鐵鋰等，陽極材料主要有石墨、鈦酸鋰等。不同陰極材料的鋰離子電池性能也不盡相同。
4、磷酸鐵鋰電池
代表企業(yè)或車型：比亞迪純電動(dòng)汽車（秦、秦EV、唐等），宇通新能源客車、廈門金龍新能源客車等。
目前在電動(dòng)汽車中，應(yīng)用較多的鋰離子電池是磷酸鐵鋰電池。比亞迪新能源就采用磷酸鐵鋰電池。它具有磷氧共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，使氧原子不會(huì)被釋放出來，因而熱穩(wěn)定性和安全性較好，同時(shí)價(jià)格相對(duì)便宜。這些因素使磷酸鐵鋰電池成為小型電動(dòng)汽車和PHEV動(dòng)力電池首選。
業(yè)內(nèi)專家指出，磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。其特色是不含鈷等貴重元素，原料價(jià)格低且磷、鐵，資源含量豐富。其工作電壓為3.2V、單位重量下電容量大（170mAh/g）、高放電功率、可快速充電且循環(huán)壽命長(zhǎng)，在高溫與高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高。
“不過在鋰離子電池中，磷酸鋰電池的比能量、比功率以及運(yùn)行電壓相對(duì)較低，在大型純電動(dòng)車應(yīng)用方面鈷酸鋰和錳酸鋰電池等更具優(yōu)勢(shì)。”業(yè)內(nèi)專家對(duì)此表示。
5、三元鋰電池
代表汽車或車型：特斯拉、吉利帝豪、北汽EV200、江淮iEV5、艾瑞澤7e、榮威Erx5等。
三鋰電池就是正極材料使用鎳鈷錳酸鋰三元正極材料的鋰電池。據(jù)清華大學(xué)歐陽明高教授解釋，所謂 “三元”，指的是正極是三元，負(fù)極是石墨。三元鋰電池具有能量密度高，循環(huán)性能好于正常鈷酸鋰的優(yōu)點(diǎn)。目前，隨著配方的不斷改進(jìn)和結(jié)構(gòu)完善，電池的標(biāo)稱電壓已達(dá)到3.7V，在容量上已經(jīng)達(dá)到或超過鈷酸鋰電池水平。
特斯拉公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車就是選用的三元鋰電池，特斯拉電池技術(shù)總監(jiān) Kurt Kelty 給出的選用理由是：能量密度更大且穩(wěn)定性、一致性更好；可以有效降低電池系統(tǒng)的成本；尺寸小，可控性和安全性都能不斷提高。
不過有業(yè)內(nèi)人士指出，“三元鋰電池主要有鎳鈷鋁酸鋰電池、鎳鈷錳酸鋰電池等，由于鎳鈷鋁的高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致高溫安全性差，且pH 值過高易使單體脹氣，進(jìn)而引發(fā)危險(xiǎn)，目前造價(jià)較高。”
據(jù)悉，現(xiàn)有三元鋰電池如果內(nèi)部短路或是正極材料遇水，都會(huì)有明火產(chǎn)生。所以一般三元鋰電池都會(huì)有一層鋼殼保護(hù)，由于特斯拉的電池組是由7000塊左右的18650電池組合而成，所以，雖然特斯拉給電池組進(jìn)行了全方位的保護(hù)，但是在極端的碰撞事故中，起火隱患還是有的。
