目前來看，鋰電池有諸多好處。相比其他電池技術(shù)，鋰電池更安全、能量密度更高，價格也在可接受范圍之內(nèi)。隨著電動汽車的興起和新型電動交通的應(yīng)用，鋰電池的成本還在持續(xù)下降。鋰電池已經(jīng)成為電動交通與儲能產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)。不過，其他電池技術(shù)，如燃料電池、液態(tài)電池等，仍有一定的發(fā)展空間。

Q

據(jù)您研究，鋰電池的主要優(yōu)勢是什么？

A

我認為鋰電池的優(yōu)勢很明顯。它壽命長、體積能量密度和重量能量密度大、高電壓輸出，因此功率也相對較高。另外，電動汽車行業(yè)帶來的規(guī)模經(jīng)濟也在推動鋰電池成本不斷降低。

Q

盡管鋰電池具備這些優(yōu)勢，但還是有人關(guān)心它的成本和安全問題。對此，您怎么看？

A

隨著終端市場應(yīng)用的急劇擴大，鋰電池成本的下降空間也很大。鋰電池的安全性不僅依賴于電池類型，還依賴于電池管理系統(tǒng)、模塊和包裝設(shè)計、熱管理和應(yīng)用類型等一系列問題。

不管鋰電池能否成為電動交通的終極解決方案，現(xiàn)代鋰離子技術(shù)都將對那些具有電池需求的產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。尤其是那些對電池溫度與充放電強度需求較低的產(chǎn)業(yè)。如應(yīng)急電源UPS、輔助儲能以及其他完善的電源系統(tǒng)等。

Q

您對鋰電池應(yīng)用于移動網(wǎng)絡(luò)有何期待？

A

電池已應(yīng)用于電信行業(yè)多年，更好的性能和更低的成本是我們永恒的追求。鋰電池完全符合這方面的訴求，未來五到十年，鋰電池的成本將快速下降。

現(xiàn)代鋰電池因其壽命長、功率密度高、能量密度高等特點，可助力通信能源系統(tǒng)為移動網(wǎng)絡(luò)提供更廣泛的服務(wù)，并減少5G時代基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化成本。

在移動網(wǎng)絡(luò)中，鋰電池通過市電削峰特性更好地幫助高功率的5G設(shè)備投入使用。此外，鋰電池充放電C率高，可快速充電。鋰電池可混搭現(xiàn)網(wǎng)的鉛酸電池，避免傳統(tǒng)方案下舊電池整組替換的高成本。

當然，在移動網(wǎng)絡(luò)中，使用鋰電池還需滿足一些前提條件。如電芯質(zhì)量一致、壽命長、合理的高充放電C率、熱管理監(jiān)測、通過電池管理系統(tǒng)進行電池健康與安全監(jiān)控等。

Q

5G時代即將到來。5G部署時，基礎(chǔ)設(shè)施側(cè)可能存在哪些挑戰(zhàn)？

A

隨著對微基站要求的提高和對現(xiàn)有站點功率需求的增加，5G網(wǎng)絡(luò)的能耗將是現(xiàn)有的兩倍。大家知道，5G基站應(yīng)用場景主要在城區(qū)，因此對5G基站的占地要求也將更嚴格。因此，由于能耗增加，降低運營成本變得至關(guān)重要。

現(xiàn)代的可再生能源解決方案，如太陽能和電池儲能，可以幫助解決這些問題。

Q

鋰電池在幫助運營商快速部署5G網(wǎng)絡(luò)方面的優(yōu)勢或重要特性是什么？

A

鋰電池技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)部署中扮演著非常重要的角色。它以合理的價格對電網(wǎng)提供高功率補償，同時占地面積小。它可以避免因5G高功率需求而安裝額外的輸電線纜。

另外，5G的高功耗需要更好的散熱模塊和高效的電源系統(tǒng)支撐。

 

圈重點

鋰電目前成為能源界的“流量”紅人著實當之無愧，它性能更強，壽命更長。對比傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)，立足于站點全生命周期，鋰電的投資實際上更低，性價比也更高。更何況，隨著電動汽車行業(yè)帶來的規(guī)模經(jīng)濟快速發(fā)展，鋰電池成本還具備非常大的下降空間。本課題組以鋰離子脫嵌化合物為正極活性物質(zhì)，金屬鋅為負積，以鋰離子和鋅離子水溶液為電解液，研發(fā)出一種全新的鋅基鋰電池體系。其充放電機理如圖1。充電時，鋰離子從正極活性物質(zhì)中脫出，同時鋅離子沉積在負極金屬鋅表面。放電時，鋰離子則從水溶液中插入到正極活性物質(zhì)晶格中，而負極的鋅離子重新溶解到水溶液里。不同于傳統(tǒng)鋰離子電池“搖椅式”的充放電機理，這個體系中鋰離子僅在正極發(fā)生脫嵌反應(yīng)，避免了負極鋰脫嵌造成的水分解，顯著提高了電池的循環(huán)壽命。另外，采用金屬鋅作為負極能夠增加電池的能量密度，同時也降低了生產(chǎn)成本。作為一種高安全，無污染，長壽命的新型儲能體系，鋅基鋰電池在不間斷電源，風能/太陽能存儲，野外備用電池的等領(lǐng)域有著極強的應(yīng)用前景。本文針對鋅基鋰電池體系，主要從正極材料的選擇與優(yōu)化，電解液的適配，鋅負極的修飾等方面總結(jié)了近幾年我們課題組的優(yōu)秀研究成果，并對這一儲能體系存在的問題，以及相應(yīng)的解決方案加以整理和展望。

1

正極材料的選擇與優(yōu)化

鋅基鋰電池的正極活性物質(zhì)必須要能反復(fù)地脫嵌、嵌入鋰離子，并且脫鋰和嵌鋰電壓要低于氧氣析出電壓來確保水電解液的穩(wěn)定。同時，為了提高能量密度，提高鋰的脫嵌電壓同樣重要。2012年， 本課題組Yan等首次報道了尖晶石LiMn2O4可以用作鋅基鋰電池的正極活性物質(zhì)。3配合鋅負極，組裝的鋅基鋰電池平均電壓可達到2.1V。而采用摻雜型LiMn2O4能夠進一步提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性，在連續(xù)充放電4000次后，仍然能有95%的容量保持率（圖2）。另外，這種鋅基鋰電池的能量密度可以達到35Whkg-1, 與鉛酸電池相當（30 Whkg-1）。對LiMn2O4的摻雜可以有效抑制活性物質(zhì)中錳離子的溶解。將正極浸泡在PH=4的水電解液一周后，摻雜型LiMn2O4樣品溶液中錳元素的濃度僅為1.722 mg/L,比未摻雜LiMn2O4低50%。

 

除了LiMn2O4外，磷酸鋰鹽也可以作為鋅基鋰電池的正極活性物質(zhì)。Zhao等采用單斜晶Li3V2(PO4)為正極活性物質(zhì)，開發(fā)了Li3V2(PO4)/Zn電池體系。5以Li2SO4和ZnSO4水溶液為電解液，這種鋅基鋰電池在0.2C倍率下能達到128 mAhg-1的容量，并且在循環(huán)200次后容量保持率在84%。在更高倍率下（2C）, Li3V2(PO4)/Zn電池容量依然能保持在62 mAhg-1，并且當倍率回到0.2C后，還是有118mAhg-1的高容量，顯示出優(yōu)異的充放電穩(wěn)定性（圖3）。Zhao還研究了Na3V2(PO4)正極材料。利用與Li3V2(PO4)相同的水電解液，Li3V2(PO4)/Zn電池在0.2C下容量為96 mAhg-。 Li3V2(PO4)，且200圈的庫倫效率能保持在接近100%。5

 圖3 LiFePO4/石墨烯復(fù)合正極鋅基鋰電池的循環(huán)和倍率性能

 

LiFePO4也是鋅基鋰電池理想的正極活性物質(zhì)。Yuan等采用水熱法合成了LiFePO4和石墨烯的復(fù)合物，并首次運用在鋅基鋰體系中。6LiFePO4為電池提供高容量（145 mAhg-1）,石墨烯為電子在正極中的傳輸提供快速遷移的通道。450圈循環(huán)后，LiFePO4/石墨烯復(fù)合正極容量保持率高達87.5%，且?guī)靷愋时３?00% （圖3a）。在15C高倍率充放電下，電池的容量為40mAhg-1，表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能(圖3b)。與LiMn2O4相比，LiFePO4具有更高的理論容量和更低的工作電壓，因此在水系電池中有著光明的應(yīng)用前景。

 

導(dǎo)電劑的選擇也能夠影響鋅基鋰電池的性能。Zhu等用碳納米管完全取代導(dǎo)電炭黑，以LiMn2O4為正極活性物質(zhì)制備了無粘結(jié)劑的新型復(fù)合電極（圖4）。7高比表面積的碳納米管為電子的快速傳輸提供了通道。在20C的高倍率下，組裝的鋅基鋰電池容量有72mAhg-1,并且在300圈循環(huán)后容量依然高達90 mAhg-1。

 

碳納米管與乙炔黑復(fù)配，也能大幅提高正極的循環(huán)穩(wěn)定性。Zhu等采用簡單的機械混合方法，制備了多級結(jié)構(gòu)碳納米管-乙炔黑復(fù)合材料。8受惠于碳納米管-乙炔黑相互堆疊形成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以這種材料為導(dǎo)電劑的LiMn2O4正極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。300圈后的容量依然有92mAhg-1,遠大于乙炔黑/LiMn2O4正極（60mAhg-1）。10C高倍率下容量達到105mAhg-1。

 

基于Jahn-Teller效應(yīng)，在循環(huán)充放電的過程中，LiMn2O4的結(jié)晶結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生畸變，從而堵塞鋰離子傳輸?shù)耐ǖ馈Ａ硗?，石墨?dǎo)電劑在充放電時也很容易被氧化，使電子的遷移受阻。這兩方面同時作用，會大幅降低LiMn2O4正極的循環(huán)穩(wěn)定性，導(dǎo)致容量的快速衰減。針對這一問題，Zhi等采用Langmuir-Blodgett方法，將石墨烯貼附在正極極片的表面，形成一層超薄人工固體電解質(zhì)界面膜（SEI，圖5a）。9這一層人工SEI能夠同時抑制Jahn-Teller效應(yīng)以及碳的表面氧化，使LiMn2O4和石墨的微結(jié)構(gòu)在反復(fù)充放電過程中最大程度保持穩(wěn)定。常溫循環(huán)600次后，以這種人工SEI膜修飾的正極組裝的鋅基鋰電池容量保持率達到87%。更重要的是，在60°C高溫下，循環(huán)100圈后電池的容量依然能保持在70%以上，從而能夠符合高溫野外作業(yè)的要求。人工SEI的制備，為設(shè)計長壽命儲能體系電極提供了非常重要的研究思路。