鋰電池的下一代電池會是哪種？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-15 15:00
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目前鋰電池仍然是電動汽車的主要動力來源，近年來關(guān)于氫燃料電池的呼聲也持續(xù)高漲，固態(tài)電池也被業(yè)界廣泛看好，未來技術(shù)發(fā)展的不確定性，意味著可能隨時被顛覆。在當(dāng)前我國動力電池總體產(chǎn)能過剩，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能不足的情況下，急需進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展，以期取得具有顛覆性的技術(shù)突破。
電池能量密度初步達(dá)300Wh/kg 成本最低0.8元/瓦時
北京理工大學(xué)教授、中國工程院院士吳鋒指出，到2020年國家對于動力鋰離子電池能量密度的指標(biāo)是300Wh/kg，現(xiàn)在一些電池企業(yè)已經(jīng)初步達(dá)到了這個指標(biāo)，還在進(jìn)一步提高綜合性能。
能量密度提升，同時隨著技術(shù)的進(jìn)步，電池價格也顯著下降。新能源汽車發(fā)展十年來，恰逢鋰離子電池能量密度從100Wh/kg提升到300Wh/kg，價格從5元/瓦時降低到現(xiàn)在最低0.8元/瓦時，實現(xiàn)了蓄電池領(lǐng)域百年來革命性突破。清華大學(xué)教授中國科學(xué)院院士、世界新能源汽車大會科技委員會聯(lián)合主席歐陽明高在會上表示。
關(guān)于能量密度和成本，寧德時代也在會上提到，到2025年動力電池系統(tǒng)能量密度可達(dá)250Wh/kg，價格可達(dá)100美金，不含稅的情況下700元左右，在這種情況下電動汽車的續(xù)航里程焦慮已經(jīng)不成問題。
下一代電池開發(fā)方向
能量密度、安全性、循環(huán)壽命、快速充電、溫度的使用范圍以及成本等讓動力電池行業(yè)仍面臨著較大的挑戰(zhàn)，業(yè)內(nèi)包括專家和電池廠商們也一直在探索下一代電池技術(shù)，以提高動力電池產(chǎn)品性能、甚至是取代現(xiàn)有電池產(chǎn)品。
關(guān)于下一代電池的開發(fā)方向，眾說紛紜。北京理工大學(xué)教授、中國工程院院士吳鋒在大會上發(fā)表了題為“中國動力電池及相關(guān)材料的研發(fā)進(jìn)展”的主題演講。他指出，在技術(shù)進(jìn)展方面，973團(tuán)隊把新一代高比能鋰離子電池正極材料的研發(fā)重點放在了富鋰錳基材料方面。目前北京大學(xué)等單位在高比容富鋰錳基材料研究方面取得了突破。
同時，他還表示，動力電池正邁向固態(tài)化時代，比較看好硫化合物和聚合物的結(jié)合，但還是要一步一步來，從準(zhǔn)固態(tài)向固態(tài)發(fā)展。
世界新能源汽車大會 透露出下一代動力電池這些信號
無獨有偶，在下一代電池開發(fā)方向上，LG化學(xué)CEO辛學(xué)喆也在會上表示，LG化學(xué)將努力開
發(fā)固態(tài)鋰離子電池，主要創(chuàng)新點集中在兩方面：一是固態(tài)鋰離子電池，確保技術(shù)的安全、穩(wěn)定，大幅提升技術(shù)；二是鋰金屬材料，LG化學(xué)目前也在關(guān)注鋰硫電池，開發(fā)高能量密度和低成本的鋰硫電池。
未來動力電池的發(fā)展方向還尚未有定論，但可以肯定的是，一定是朝著高能量密度、高安全性方向發(fā)展。電車資源認(rèn)為，不管是哪種技術(shù)方向，都應(yīng)注意平衡高比能量與安全性，唯有在保證安全性的前提下，新能源汽車才能走的更遠(yuǎn)，迎來更輝煌的發(fā)展。
最近特斯拉、蔚來汽車的電池自燃事件頻發(fā)，于是大家對鋰電池的關(guān)注焦點從續(xù)航里程轉(zhuǎn)移到了安全問題上。從消費者的角度，當(dāng)然希望有價格低、續(xù)航長、性能好、安全高等的完美電池出現(xiàn)，但是這并不符合物理定律。
電池研究就像是玩平衡術(shù)，需要在幾個維度之間不斷的協(xié)調(diào)、折中，往往是改變一個維度上的指標(biāo)就會牽動其他幾個維度。
最近刷領(lǐng)英看到比爾·蓋茨分享的一篇文章。他說很少有發(fā)明像電池一樣給生活帶來這么大的改變。同時，越來越多的發(fā)明家河投資家投身到這個領(lǐng)域，致力于制造出更好的電池。他轉(zhuǎn)發(fā)的這篇文章叫做《How we get to the next big battery breakthrough 》，發(fā)表于2019年4月8日，其中包含一些最新的信息。我把原文翻譯成了中文，供參考！
電動飛機(jī)可能是航空業(yè)的未來。從理論上講，它們將比我們現(xiàn)在擁有的飛機(jī)更安靜、更便宜、更清潔。一次充電1000公里（620英里）的電動飛機(jī)今天可以用于所有商用飛機(jī)飛行的一半，將全球航空的碳排放量減少了大約15%。
電動汽車也是如此。電動汽車不僅僅是污染噴涌的同類產(chǎn)品的清潔版。從根本上說，它是一輛更好的汽車：它的電動機(jī)產(chǎn)生的噪音很小，對司機(jī)的決定反應(yīng)迅速。給電動汽車充電的費用遠(yuǎn)低于支付等量汽油的費用。電動汽車可以用一小部分運動部件來制造，這使得維修成本更低。
那么為什么電動汽車還沒有普及呢？這是因為電池價格昂貴，使得電動汽車的前期成本遠(yuǎn)高于類似的燃油動力汽車。而且，除非你開很多車，否則節(jié)省的汽油并不總能抵消更高的前期成本?？傊?，電動汽車仍然不經(jīng)濟(jì)。
同樣，目前的電池在重量或體積上也不能儲存足夠的能量來為客機(jī)提供動力。在電池技術(shù)成為現(xiàn)實之前，我們?nèi)匀恍枰〉酶拘缘耐黄啤?/div>
電池驅(qū)動的便攜式設(shè)備改變了我們的生活。但是，如果能便宜地制造出更安全、更強(qiáng)大、更高能量密度的電池，那么電池就有更多的可能被破壞。任何物理學(xué)定律都不能排除它們的存在。
然而，盡管自1799年第一個電池發(fā)明以來經(jīng)過了兩個多世紀(jì)的密切研究，科學(xué)家們?nèi)匀徊煌耆斫膺@些設(shè)備內(nèi)部到底發(fā)生了什么的基本原理。我們所知道的是，為了讓電池再一次真正改變我們的生活，基本上有三個問題需要解決：電力、能源和安全。
沒有一個適合所有鋰離子電池的尺寸
每個電池有兩個電極：一個陰極和一個陽極。大多數(shù)鋰離子電池的陽極是由石墨制成的，但陰極是由各種材料制成的，這取決于電池的用途。下面，您可以看到不同的陰極材料如何改變電池類型在六個方面的表現(xiàn)。
能量挑戰(zhàn)
一般來說，人們使用「能源」和「能量」是可以互換的，但在談?wù)撾姵貢r區(qū)分它們是很重要的。功率是能量釋放的速率。
一個強(qiáng)大的電池能夠在很短的時間內(nèi)釋放大量的能量足以支撐商業(yè)噴氣式飛機(jī)的起飛和保持在1000公里的高空飛行，特別是起飛的瞬間。因此，這不僅僅是可以儲存很多能量，還涉及到擁有迅速釋放能量的能力。
應(yīng)對能源挑戰(zhàn)需要我們了解商用電池里面到底是什么。或許，這些內(nèi)容聽起來有些呆板，但是請容忍一下。新的電池技術(shù)經(jīng)常被夸大，就是因為多數(shù)人對電池的細(xì)節(jié)不夠了解。
我們目前最前沿的電池化學(xué)是鋰離子。大多數(shù)專家都同意，在至少十年或更長的時間里，沒有其他化學(xué)物質(zhì)會破壞鋰離子。鋰離子電池有兩個電極（陰極和陽極），中間有一個分離器（一種可以傳導(dǎo)離子而不是電子的材料，旨在防止短路），還有一個電解質(zhì)（通常是液體），使鋰離子在電極之間來回流動。當(dāng)電池充電時，離子從陰極移動到陽極；當(dāng)電池供電時，離子向相反的方向移動
鋰離子電池內(nèi)部
想象一下兩條切片面包。每個面包都是一個電極：左邊是陰極，右邊是陽極。讓我們假設(shè)陰極是由鎳、錳和鈷（NMC）薄片組成的——這是同類中最好的薄片之一，陽極是由石墨組成的，石墨本質(zhì)上是由碳原子的層狀薄片或薄片組成。
在放電狀態(tài)下，也就是說，在能量耗盡后，NMC面包在每片之間夾有鋰離子。當(dāng)電池充電時，每一個鋰離子從薄片之間被提取出來，并被迫通過液體電解質(zhì)。分離器充當(dāng)檢查點，確保只有鋰離子通過石墨層。當(dāng)電池充滿電時，電池的陰極層就不會剩下鋰離子，而是整齊地夾在石墨層之間。當(dāng)電池的能量被消耗時，鋰離子會回到陰極，直到陽極中沒有剩余的鋰離子。這時電池需要重新充電。
電池的能量容量基本上取決于這個過程發(fā)生的速度。但提高速度并不容易。過快地將鋰離子從陰極面包中抽出可能會導(dǎo)致切片產(chǎn)生缺陷，最終破裂。這就是為什么我們使用智能手機(jī)、筆記本電腦或電動車的時間越長，它們的電池壽命就越差的一個原因。每次充放電都會使面包變?nèi)酢?/div>
許多公司都在努力解決這個問題。一種想法是用結(jié)構(gòu)更堅固的材料代替層狀電極。例如，已有100年歷史的瑞士電池公司Leclanch_正致力于一項技術(shù)，該技術(shù)使用具有「橄欖石」結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰（LFP）作為陰極，使用具有「尖晶石」結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰（LTO）作為陽極。這些結(jié)構(gòu)在處理鋰離子進(jìn)出材料的流動方面更為出色。
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