傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品一般都是剛性的，無法被拉伸和彎曲，因此其應(yīng)用范圍也受到了限制。然而，柔性電子一改傳統(tǒng)電子產(chǎn)品“僵硬”的形象，成為了電子產(chǎn)品前沿科技發(fā)展的一大重要趨勢(shì)。憑借著可彎曲、可扭曲、可伸縮、低功耗、高舒適度、輕薄、耐用、便攜等諸多優(yōu)勢(shì)，柔性電子技術(shù)與可穿戴技術(shù)等其他前沿技術(shù)交叉融合，為我們帶來一系列應(yīng)用，例如：智能手表、柔性顯示器、智能織物、智能眼鏡、皮膚貼片、傳感器等。

 

 

然而，隨著柔性可穿戴設(shè)備日益變多，這些產(chǎn)品的供電也成為了關(guān)鍵性問題。雖然筆者曾經(jīng)介紹過一系列“無需電池”自供電技術(shù)，但是目前這些技術(shù)大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，離大規(guī)模商用尚有一段距離。然而，電池本身走向柔性化，也是解決這一問題的重要手段。筆者之前介紹過許多有關(guān)柔性電池的案例。例如，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校開發(fā)的可伸縮燃料電池可以從汗液中提取能量，為L(zhǎng)ED和藍(lán)牙適配器之類的電子產(chǎn)品供電。

 

 

然而迄今為止，讓鋰離子電池同時(shí)具有良好的柔性和高能量密度，對(duì)于研究人員來說還是頗具挑戰(zhàn)性的。

 

 

創(chuàng)新

 

 

近日，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)工學(xué)院應(yīng)用物理和數(shù)學(xué)系材料科學(xué)和工程專業(yè)助理教授 Yuan Yang 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的原型產(chǎn)品能夠應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。這種鋰離子電池形狀有點(diǎn)像人體脊椎，無論如何彎曲和扭曲，它都具有顯著的柔性、高能量密度、穩(wěn)定的電壓。這一研究的相關(guān)論文發(fā)表于《高級(jí)材料》（Advanced Materials）雜志。

 

 

技術(shù)

 

 

Yang 的小組正探索研究電池材料的成分和結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)高性能，他受到了仰臥起坐運(yùn)動(dòng)時(shí)人體脊椎的柔韌性啟發(fā)。人體脊椎具有高度柔韌性、機(jī)械魯棒性且可以扭曲，因?yàn)樗辛巳彳浀墓撬璩煞郑⒁部梢耘c硬的椎骨部分互聯(lián)。Yang 使用脊椎模型設(shè)計(jì)出一個(gè)具有相似結(jié)構(gòu)的電池。其原型具有厚厚的剛性部分，可以通過將以薄薄的柔性部件（“骨髓”）纏繞電極（“椎骨”），將脊椎般的電極疊層連接到一起。他的原型設(shè)計(jì)讓整個(gè)電池都具有了優(yōu)異的柔性。

 

 

Yang 解釋道：“因?yàn)閯傂噪姌O部件的體積顯著大于柔性連接，這種柔性電池的能量密度高于標(biāo)準(zhǔn)商用電池的85%。因?yàn)檎麄€(gè)結(jié)構(gòu)中活性材料占有高比例，我們?cè)O(shè)計(jì)的這種脊椎般的電池顯示出非常高的能量密度，高于任何我們所關(guān)注的其他報(bào)道中的柔性電池。因?yàn)槲覀兪艿缴飭l(fā)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，所以這種電池也能夠通過嚴(yán)苛的動(dòng)態(tài)機(jī)械負(fù)荷測(cè)試。”

 

 

Yang 的團(tuán)隊(duì)將傳統(tǒng)的正極/分離器/負(fù)極/分離器疊層剪成長(zhǎng)條，讓多個(gè)“分支”可以從“脊椎主干”上延伸出90度。然后，它們將每個(gè)分支沿著主干包裹，形成厚厚的疊層用于存儲(chǔ)能量，就像脊椎中的脊椎骨一樣。

 

無論如何彎曲或者扭曲，這種電池都顯示出穩(wěn)定的電壓分布。同時(shí)多次循環(huán)后，電池仍具有穩(wěn)定的容量。在循環(huán)之后，團(tuán)隊(duì)拆解了電池以檢查電極材料的形態(tài)學(xué)變化。他們發(fā)現(xiàn)正電極完好無損，沒有從鋁箔上開裂或剝落的明顯痕跡，從而確認(rèn)了這項(xiàng)設(shè)計(jì)具有高機(jī)械穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步展示這項(xiàng)設(shè)計(jì)的柔性，研究人員在放電期間持續(xù)地彎曲和扭曲電池，發(fā)現(xiàn)彎曲和扭曲都沒有打破電壓曲線。即使電池在整個(gè)放電期間持續(xù)地彎曲和扭曲，電壓分布也保持完好。在彎曲狀態(tài)下的電池也能以高電流密度循環(huán)，容量保持率相當(dāng)高（三分之一小時(shí)內(nèi)電量可達(dá)84%）。

 

 

電池也能夠經(jīng)受得住持續(xù)的動(dòng)態(tài)機(jī)械負(fù)荷測(cè)試，而這在較早的研究中沒有報(bào)道過。

 

 

Yang 解釋道：“我們脊椎般的設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)具有更高的機(jī)械魯棒性。我們預(yù)計(jì)，采用生物啟發(fā)的可擴(kuò)展方案制造柔性鋰離子電池，能大幅推進(jìn)柔性設(shè)備的商用。”

 

 

Yang 表示：“我們?cè)偷哪芰扛呙芏仁悄壳盀橹顾鶊?bào)道的產(chǎn)品中最高的之一。我們已經(jīng)開發(fā)出一種簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的方案，用于制造這種脊椎般的鋰離子電池，它將具有優(yōu)異的電化學(xué)和機(jī)械特性。我們的設(shè)計(jì)對(duì)于第一代柔性商用鋰離子電池來說，是非常有前途的候選方案。我們現(xiàn)在正在優(yōu)化設(shè)計(jì)并改善性能。”國(guó)的新能源汽車補(bǔ)貼將逐步退坡已是不爭(zhēng)的事實(shí)，車補(bǔ)新政對(duì)于新能源汽車的續(xù)航里程、動(dòng)力電池密度等因素考核也將越發(fā)嚴(yán)格。

 

 

網(wǎng)傳的補(bǔ)貼新政顯示：2019年電動(dòng)乘用車電池能量密度，門檻將從120wh/kg提高到140wh/kg，160wh/kg以上補(bǔ)貼倍率為1.1倍，180wh/kg以上為1.2倍。

 

 

于是為了能夠繼續(xù)享受未來的補(bǔ)貼，車企、電池企業(yè)開始不遺余力地在續(xù)航里程、動(dòng)力電池能量密度上不斷加碼。

 

 

 

 

各路企業(yè)爭(zhēng)先恐后，電池企業(yè)加大研發(fā)投入，通過改進(jìn)正負(fù)極材料、隔膜、電解液等原材料體系及優(yōu)化PACK結(jié)構(gòu)等來提升電芯及電池系統(tǒng)能量密度的新聞不絕于耳。

 

 

誠(chéng)然，不斷攀登能量密度新高度在打破新能源汽車?yán)m(xù)航里程這一關(guān)鍵掣肘的同時(shí)，也在推動(dòng)著整個(gè)電池行業(yè)技術(shù)水平的進(jìn)步。

 

 

01

 

都在追求動(dòng)力電池高密度！

 

 

提起動(dòng)力電池企業(yè)不得不提寧德時(shí)代和比亞迪。作為中國(guó)動(dòng)力電池裝機(jī)量前兩強(qiáng)，合并市場(chǎng)份額超過六成。這兩家的能量密度水平，基本上決定了全行業(yè)的水平。

 

 

 

寧德時(shí)代

 

 

今年6月在青海鋰產(chǎn)業(yè)與動(dòng)力電池高峰論壇上，寧德時(shí)代副董事長(zhǎng)黃世霖表示，2018年寧德時(shí)代電池系統(tǒng)能量密度要做到160Wh/kg，預(yù)計(jì)2020年將超過180Wh/kg。

 

 

 

 

而根據(jù)這份寧德時(shí)代產(chǎn)品路線圖顯示，2019年其電池包能量密度，正好就是180wh/kg。大有提前一年就能達(dá)到預(yù)期2020年的電池能量密度目標(biāo)的態(tài)勢(shì)。一旦2019補(bǔ)貼新政出臺(tái)，那么寧德時(shí)代180wh/kg的電池包出現(xiàn)想必也不會(huì)讓人太過驚訝。

 

 

再看比亞迪，今年廣州車展上，唐EV600正式開啟預(yù)售，其綜合工況續(xù)航預(yù)計(jì)在450~500公里，比亞迪肯定會(huì)在這款車上用上最高能量密度電池。

 

 

 

 

據(jù)悉比亞迪在唐EV600上使用了NCM622電芯產(chǎn)品。有接近比亞迪的消息人士回應(yīng)稱，目前該款車輛系統(tǒng)能量密度超過160Wh/kg。比亞迪的電芯成組效率較高，接近80%。

 

 

比亞迪明年計(jì)劃主推235Wh/kg的三元方形電芯產(chǎn)品，但具體應(yīng)用狀況如何，還將受到政策、市場(chǎng)等多方面因素影響。照此成組效率推測(cè)，比亞迪也可能達(dá)到180wh/kg的水平。

 

 

畢竟1.2倍的補(bǔ)貼倍率，誰不想要？

 

 

02

 

動(dòng)力電池能量密度越高越好？

 

 

隨著越來越多的電池企業(yè)在向動(dòng)力電池高能量密度發(fā)展，同時(shí)也引發(fā)了行業(yè)不小的擔(dān)憂——如果更高的能量密度意味著更多的補(bǔ)貼，那么會(huì)否因?yàn)樽非竽芰棵芏榷鲆暳穗姵匕踩勖绕渌匾笜?biāo)？

 

 

至少在電池安全性方面，并不是能量密度越高越好，相反能量密度越高的電池，越不穩(wěn)定。

 

 

 

【能量密度越高的電池越不穩(wěn)定】

 

 

如上圖所示，在動(dòng)力電池能量密度超過150wh/kg時(shí)，電池能量密度越高，電池的穩(wěn)定性就越差。不穩(wěn)定當(dāng)然就有安全隱患，是否可以換言之，電池能量密度越大安全隱患就越大呢？這需要專家們?nèi)プ糇C，而筆者只是提出自己的疑問。

 

 

因?yàn)檫@是電池原理的共性及特點(diǎn)，在其沒有發(fā)生徹底改變的當(dāng)下，我們短期能做的就是盡可能地提高電芯穩(wěn)定性、安全性。

 

 

當(dāng)然一塊動(dòng)力電池的安全性不能只歸咎于能量密度，還與PACK層面（電池與環(huán)境）、系統(tǒng)層面與功能安全方面有關(guān)。因?yàn)榻裉煸蹅儍H討論電池能量密度問題，其他方面就不展開來說了。

 

 

03

 

一味追求電池能量密度帶來的后果

 

 

根據(jù)公開資料整理發(fā)現(xiàn)，2018年上半年國(guó)內(nèi)外共發(fā)生純電動(dòng)汽車起火事故10起，涉及車輛總數(shù)10輛。其中，國(guó)內(nèi)起火事故8起、涉及車輛8輛，與去年同期持平。

 

 

 

 

而到了8月，即全年氣溫最高的一個(gè)月，光是國(guó)內(nèi)電動(dòng)車自燃事故就達(dá)到了12起，包括電動(dòng)面包車、貨車、公交、家用車等等，地點(diǎn)則是從長(zhǎng)春到深圳橫跨南北。

 

 

 

 

高溫天，電池的熱失控溫度和安全性逐步下降，而且電池三元鋰材料在達(dá)到一定溫度的時(shí)候能分解釋放出初生態(tài)氧，已經(jīng)在內(nèi)部具備了完整的燃燒要素，所以電池組即便沒有暴露在氧氣充足的外部條件下，一旦自燃后仍然能迅速蔓延并且難以撲滅。

 

 

 

 

看到這里，或許有人要說只要是能量體，就存在不安全因素。從道理上說，汽油比電池更不安全，但汽油車的安全性用戶能接受，電動(dòng)汽車的安全性用戶為什么就不能接受？

 

 

因?yàn)殡妱?dòng)汽車是要代替燃油車的，我們沒有參與燃油車的發(fā)展初期，但有幸參與了電動(dòng)車，特別是國(guó)內(nèi)電動(dòng)車的初始階段，那么對(duì)它要求嚴(yán)格一點(diǎn)兒又有什么錯(cuò)呢？

 

 

我們最終的目的還是希望電動(dòng)車能夠有好的發(fā)展，其核心動(dòng)力電池技術(shù)能夠進(jìn)步再進(jìn)步！而所有技術(shù)的進(jìn)步都必然也必須建立在安全的基礎(chǔ)之上。

 

 

馬曰：

 

現(xiàn)階段，盲目追求動(dòng)力電池能量密度并不現(xiàn)實(shí)，電池技術(shù)的瓶頸比已經(jīng)非常明顯，強(qiáng)行突破只會(huì)帶來更多的事故。而電池行業(yè)發(fā)展應(yīng)該兼顧速度和質(zhì)量，速度、規(guī)模的擴(kuò)張應(yīng)該基于行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。

 

 

應(yīng)該基于對(duì)市場(chǎng)的理性判斷，基于對(duì)材料技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，而非企業(yè)盲目跟風(fēng)。單純?yōu)榱搜a(bǔ)貼，不以安全性為前提，只求增大電池能量密度，增加續(xù)航里程都是不靠譜和無法持續(xù)性發(fā)展的行為。補(bǔ)貼誠(chéng)可貴，安全價(jià)更高！