哪些電池技術(shù)正在一步步替代鋰電池成為主流？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-12 14:31
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可不是么，隔三差五就會有各種實驗室稱自己研發(fā)出了新的電池技術(shù)，一個比一個成本低、有的更加環(huán)保、有的更安全、有的壽命更長……鋰電池的時代將要落幕了？
今天，我們看看哪些電池技術(shù)正在一步步替代鋰電池成為主流。
原材料無處不在的鈉離子電池
鋰電池什么都好，就是太貴了。
鋰電池的電極材料鋰（Li）比較稀有，開采和精煉成本很高。那么有沒有可能，在常見的材料里可以找出替代鋰元素的電極材料呢？
鹽（NaCl），聽起來不錯。畢竟地球擁有廣闊的海洋和鹽湖等鈉鹽來源，如果可以提取鈉作為電極材料，成本將大幅度下降。
鈉離子電池的概念起步于上個世紀80年代，與鋰離子電池幾乎同時起步，鈉離子電池的工作原理與鋰離子相似，充電時，Na+從正極材料中脫出，經(jīng)過電解液嵌入負極材料，同時電子通過外電路轉(zhuǎn)移到負極，保持電荷平衡；放電時則相反。
一直以來，人們認為鈉離子電池雖然有成本的優(yōu)勢，但能量密度不及鋰電池，只能在對于能量密度要求不高的領(lǐng)域，比如電網(wǎng)儲能、調(diào)峰，風(fēng)力發(fā)電儲能等方面應(yīng)用，然而，近日斯坦福大學(xué)的研究人員們研制的鈉離子電池突破了這一認知。
他們研制的鈉離子電池，能夠以 80% 不到的成本，存儲與鋰離子電池相當(dāng)?shù)哪芰浚?/span>
這款電池采用了鈉鹽電極的設(shè)計，充上正電荷的鈉離子會游向充負電荷的磷正極——這兩種元素在自然界中的儲量都很豐富。最終，他們的鈉離子電池實現(xiàn)了高達 484 mAh/g 的可逆容量、以及 726 Wh/kg 的能量密度。新電池的能源效率據(jù)稱超過了87%，至于最重要的成本方面，研究人員聲稱可以80%不到的投入，實現(xiàn)與鋰離子電池相當(dāng)?shù)膬﹄娏俊?/span>
下一步，團隊將在磷陽極上投入更多精力，以便壓榨出鈉離子電池的更多性能。與鋰離子相比，團隊也希望進一步提升鈉離子電池的體積能量密度。這項研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《自然能源》（Nature Energy）期刊上。
實際上已經(jīng)有不少企業(yè)在發(fā)力鈉離子電池，比如豐田。
新聞報道稱，豐田新電池使用了鈉基化合物作為正極的鈉離子電池，電池產(chǎn)生的電壓高出鋰離子電池30%。這項電池技術(shù)可有效提升電動車的續(xù)航里程，最大可達到驚人的1000公里，而且價位更低。據(jù)悉，豐田正加快推進研究，預(yù)計2020年前后可投入實際應(yīng)用。該電池一旦商業(yè)化，價格會比傳統(tǒng)鋰電池更低。
成本只有鋰離子電池1/5的液流電池
有這么一款電池，放電的時候，會吸入來自外界的空氣，而在充電的時候，它又可以排出空氣，很像人類的呼吸。
根據(jù)http://cnBeta.COM的報道，麻省理工學(xué)院的研究人員們，已經(jīng)開發(fā)出了一款可以“呼吸空氣”、長期貯存能量的液流電池，且在同等能量密度下，其造價只有鋰離子電池的 1/5 。
液體可以做電池嗎？來看一下原理：這款可充電液流電池的特點，是采用了液體的“陰極電解液”’和“陽極液”作為電池的兩極，通過離子的來回運動來儲存或釋放能量。
其中，溶解在水中的硫作為陽極液，含氧液體鹽溶液為陰極電解液。硫、水、鹽材料的成本很低，對于大規(guī)模儲能的電網(wǎng)系統(tǒng)來說，成本的削減，才是讓可再生能源普及和長期運行的關(guān)鍵。
報道稱，這款電池如今只有咖啡杯那么大，如果設(shè)計應(yīng)用到大規(guī)模的系統(tǒng)中，預(yù)計每千瓦時的儲能成本可控制在 20~30 美元之間（其它儲能系統(tǒng)的每千瓦時儲能成本可能高達 100 美元）。下一步研究計劃將是提升電池的效率和工作壽命。
但其實，液流電池已經(jīng)不是一項新的技術(shù)了，早在上世紀60年代就已經(jīng)出現(xiàn)。
以更多人知曉的全釩液流電池舉個例子，全球范圍內(nèi)生產(chǎn)全釩液流電池的企業(yè)主要包括美國UniEnergy Technologies公司、奧地利Gildemeister公司、日本住友電工公司以及中國大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司。
同鋰電池相比，液流電池規(guī)模可大可小，設(shè)計靈活、具有可擴展性，從下圖看出，釩液流電池可承受的功率取決于電堆大小，而電量的多少則與儲能罐的大小成正比。而鋰電池卻是固定的大小，規(guī)模難以擴大。
另外，相對于鋰電池，液流電池的壽命較長、安全性極高，沒有起火或爆炸隱患，即使遭遇大電流也不會有什么安全問題。
然而，液流電池的密度極地，加之此類電池呈液態(tài)，因而占地面積大成為其局限性。這么一看，前文所說的咖啡杯大小的新款液流電池，是不是會成為革命性的發(fā)明呢？
使用壽命更長充電更快的鋁電池
其實鋁電池也是一直被人們看好的一項電池技術(shù)，因為其能量密度的潛力很大。但是到目前為止，鋁電池還只是被當(dāng)做金屬燃料電池使用。
比如美鋁加拿大公司和以色列公司Phinergy曾展示的100公斤重的鋁空氣電池儲存了可行駛3000公里的足夠電量。鋁電池只在鋰電池電量耗盡后才啟動，因此可以用很長時間，期間只需每月加注清水。通常在一年左右達到使用極限后，到服務(wù)站更換充滿電的鋁電池即可。有點像一次性電池。
為什么鋁電池不做充電電池？
一方面是循環(huán)壽命差，一方面是充電速度太慢，不實用。還有一個致命缺點是電解液里面的鋁離子不穩(wěn)定，很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)帶來危險。這些原因使得鋁電池一直未大規(guī)模投入使用。
但別灰心,《自然》雜志發(fā)布過一篇關(guān)于鋁離子電池的研究，稱“已經(jīng)看到了新電池的雛形”:
這款鋁離子電池包含兩個電極，一個由鋁制成的帶負電陽極和一個帶正電石墨陰極，電解質(zhì)其實就是室溫下的液態(tài)鹽，最后研究出的可充電鋁電池可以產(chǎn)生2伏電壓。這比任何鋁電池可以產(chǎn)生的電壓都要高，盡管只有典型鋰電池的一半。
研究人員稱，如果改進陰極材料應(yīng)該可以最終增加電壓和能量密度。這樣的話，鋁電池將成為替代性的新技術(shù)：不昂貴的電極、安全、高速充電、靈活和較長壽命。
看來，從實驗室到量產(chǎn)仍舊是一個很長的過程。理想的電池雛形已經(jīng)有了，鋁比鋰便宜的多，石墨也不貴，接下來只要鋁電池在能量密度，功率密度等指標追平鋰離子電池，替代的一天或?qū)⒌絹怼?span style="caret-color: rgb(0, 0, 0); color: rgb(0, 0, 0); font-family: -webkit-standard;">作者：兀丐
鋰電池這個東西從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在三十來年發(fā)展相當(dāng)?shù)木徛龢O不用說了，鈷酸鋰，磷酸鐵鋰，錳酸鋰到現(xiàn)在還是主流電池，再次基礎(chǔ)上發(fā)展出來的三元，鎳錳酸鋰，磷酸鐵錳鋰，富鋰都可以算摻雜改性，而不是新的材料體系。所以就體系而言，近年來正極方面也很難再有突破。發(fā)展目標肯定是高容量，高密度，高安全，高電壓。
負極方面，從早期一次電池的金屬鋰，到現(xiàn)在幾十年來一成未變的碳材料（軟碳，硬碳等），比正極材料還單一，改變更少。不過目前硅碳材料已經(jīng)有商業(yè)化的應(yīng)用，未來比重應(yīng)該會有提升。而終極肯定是金屬鋰材料作為電極。發(fā)展方向同正極。
電解液，這個東西也是一樣，一成不變幾乎，改改添加劑。目前窗口還很難做到4.5V以上。不過凝膠及固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展會為未來電池工藝提供新的思路，安全性帶來改善。發(fā)展方向主要是更寬電化學(xué)窗口及穩(wěn)定性，導(dǎo)電性。
隔膜方面，PP，PE單層，復(fù)合三層，目前又發(fā)展出來陶瓷隔膜，不過主要還是針對安全性，隨著固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用會直接取代隔膜。目前發(fā)展方向是安全。
集流體方面，變化也很小，早期扣式電池有泡沫鎳，現(xiàn)在就是銅箔鋁箔，近年來發(fā)展起來了涂炭箔，隨著金屬電極的使用集流體可能會取消，也許隨著石墨烯技術(shù)的發(fā)展，直接以碳材料作為集流體也有可能，這就可能會改變電池整體結(jié)構(gòu)及電極加工方式。
粘結(jié)劑方面，這個比較陌生，目前正極，負極，涂層（隔膜，集流體）等方面都會用到，水系油系都有市場，但就電池整體而言，粘結(jié)劑的存在只對電池加工有用，而對電池性能來說是惡化，這東西越少越好。未來可以考慮高導(dǎo)電粘結(jié)劑的發(fā)展，把粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑整合。
導(dǎo)電劑，從sp、vgcf、cnt到石墨烯，目前來看也基本穩(wěn)定了。未來同粘結(jié)劑了。
就電池整體而言，很多單位都列出了鋰電池未來幾年的發(fā)展路線，未來五到十年，高壓正極+硅碳負極應(yīng)該可以成熟。鋰金屬電極如鋰空，鋰硫也開始商業(yè)化。傳統(tǒng)正極材料加鋰金屬負極可以進一步提高電池能量密度（涉及電池結(jié)構(gòu)改變，進一步發(fā)揮老材料的余熱）。個人認為短期內(nèi)，如果從電池結(jié)構(gòu)入手來較大幅度提高能量密度比從材料入手要容易的多。而就未來長期發(fā)展還是要靠材料來推動。
