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种类繁多亮点不少 新型电池产业化路漫漫其修远

更新时间:2015-07-31 09:25 来源:中国科学报 作者: 阅读:955 网友评论0
      自从纯电动汽车成为市场的焦点之后,关于超级电池的消息就不绝于耳。一次加注只需3分钟的氢氧燃料电池,一次充电巡航里程高达1000公里的石墨烯电池,创新电池结构的半固态锂电池……似乎那些长期占据绝对市场份额的铅酸电池、锂离子电池等传统电池,分分钟就要被这些“家族新贵”革了命。
  
  然而,事实真的如新闻里描述的那样么?从电池研发的历史上看,纵使电池行业发展了200多年,市场依然被技术经济性最成熟的铅酸电池和锂离子电池占据;特别是近20年,电池每年能量密度稳定提高3%至6%,已实属不易。一种适用电池的新材料从开发到产业化,周期十分漫长,一般需耗时18至20年。
  
  纵观五花八门的“新型电池”,亮眼的实验室数据无法代表产业化能力,单一指标优势也不能以偏概全,虽然人们都急盼着能够尽快发生电池革命,但可能还需要经历更长时间的等待。
  
  半固态锂电池:
  
  结构上的改变
  
  日前,美国麻省理工学院的研究人员蒋业明与一家名为24M的衍生公司合作,提出一种制造锂离子电池的不同工艺:半固态锂离子电池。该发明人宣称不仅有望显著降低生产成本,还能提高电池性能,使其更易于回收,这给纯电动汽车性能的提升带来了全新想象。消息一出,引发业界关注。
  
  实际上,这种电池的原理并不复杂,与现有锂离子电池设计类似。电极单元是细小的锂化合物粒子与液体电解液、导电添加剂混合形成的泥浆,电池使用两种泥浆,一种带正电,一种带负电。两种泥浆分别通过铝集电器和铜集电器收集电子,正极室和负极室之间有一个能传递离子、防止电子传递的隔膜。电池的充放电原理和锂离子电池一样,通过锂离子在正极室与负极室穿梭通过隔膜,电子通过外电路传输完成。
  
  “相较于蒋业明之前发明的半固态液流电池,半固态锂离子电池实际上更接近于锂离子电池的设计。”中国科学院物理研究所研究员、电池专家李泓接受采访时说,现有的锂离子电池采用多层薄膜电极设计,而这种电池采用厚电极,在结构设计上得到了简化,减少了集流体、隔膜所占的电池总重量的比例,在采用正负极材料相同的情况下,可以提高电池的能量密度,工艺成本有望降低。
  
  半固态锂离子电池由于采用厚电极,单层隔膜,无法实现快速充放电,也意味着在动力上没有优势,这是制约其在电动汽车上大规模推广的一大缺陷。李泓建议说,并不是所有电池应用都对高功率有要求,如果能够找到合适的应用场景,并且在某些技术指标上确实有超越现有锂离子电池的地方,那就可以逐渐拓宽它的应用领域,比如静态储能领域。
  
  但是任何电池的应用都需要综合技术指标满足实际应用的要求,目前,24M开发的半固态厚电极锂离子电池技术还需要进一步全面评价并与现有先进的锂离子电池技术作对比。这种电池目前推广仍存在不少困难,半固态锂离子电池的生产工艺与现有锂离子电池的工艺不完全兼容,生产线设计、品质控制、测试标准、量产工艺等都得从头摸索,防止内部短路的隔膜等关键材料还需突破。
  
  “被市场所接受和在市场上做示范推广是不一样的,从目前的情况来看,该公司的这款电池在能量密度、功率密度、循环性、成本上都不占优势,真正走向市场还需要相当长时间。”李泓说。
  
  全固态锂电池:
  
  可靠的安全卫士
  
  电动汽车自燃、手机电池爆炸……随着锂离子电池的大规模民用,关于电池安全事故的新闻不绝于耳,电池使用的安全问题也广受各方关注。不久前,日本丰田汽车公司透露,计划在2020年实现全固态电池的商用化。该公司早在2010年就推出了更安全、寿命更长、功率输出更优的全固态电池原型器件,希望它能在未来取代现有锂离子电池。
  
  细心的消费者会发现,所有的锂离子电池都标有详细的注意事项,乘坐飞机也有严格的携带限制,这是因为锂离子电池内带有的有机溶剂具有可燃性,有一定安全隐患。如果要彻底保证电池安全,就要把可燃烧的有机溶剂用更安全的不能燃烧的固体电解质替换掉。
  
  “固态锂电池有可能显著提高电芯的安全性,是未来电池技术的重要方向。”李泓表示,现有的锂离子电池虽然安全性已经很高,但仍会不断出现安全事故。全固态锂电池没有电解液,不易燃烧和爆炸,不会产生液体泄漏和腐蚀,在高温下寿命不受影响,不易变形,电压允许范围更高。
  
  “更重要的是,现有应用对电池能量密度要求越来越高,在现有技术下,通常电池容量越大越不安全。所以说,全固态电池是一种革命性技术,它可以在保证安全性的同时,提高电池能量密度。”李泓补充说。
  
  不过,单纯强调安全性并不能把固态电池完全推向市场,性能的提升和成本的降低更加关键。“目前固态电池安全性能更高,但是在其他主要性能上,比如充放电速率上,低温特性上与采用液体电解质的现有锂离子电池有显著的差距。这主要是在固体电解质中离子传输的速度较慢,固体电解质和正负极材料界面的电阻很大,这些问题还没有很好解决,所以快充的特性暂时没有发挥出来。”李泓透露,全固态电池在快充时更安全,目前在日本学界的研究里表示其可以快充,但都还在实验室探索阶段,离应用较远。
 

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