新技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)電池發(fā)展

劉春娜

電池發(fā)展到今天，其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍都在不斷擴(kuò)大，各種新型電池技術(shù)也在不斷取得突破：電動汽車制造商正在尋找更便宜、更輕、更持久的電池；電子設(shè)備制造商也在尋找更可靠、壽命更長、充電更快的電池；可穿戴和醫(yī)療植入式設(shè)備的廠商則傾向于更小巧、更長續(xù)航時間的電池；可再生能源企業(yè)也在尋找能夠穩(wěn)定充放電成千上萬次的電池。目前，新型液流電池、固態(tài)電池、超級電池、微電池等技術(shù)概念層出不窮，促進(jìn)了電池行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

在第85屆日內(nèi)瓦車展上，列支敦士登的nanoFLOWCELL帶來續(xù)航了800公里的QUANTF電動超跑，除了酷炫的外表，其最大亮點(diǎn)就是采用了液流電池作為電動超跑的推動力。新型液流電池除了在價格和行駛里程上具有顯著優(yōu)勢外，而且比目前汽車上使用的電池更加安全，更容易融入汽車設(shè)計中去。液流電池將電化學(xué)蓄電池以及燃料電池的各個方面相結(jié)合。液體電解質(zhì)存在于兩個電池倉中并經(jīng)過電池流通。系統(tǒng)中心有一層隔膜將兩個電解質(zhì)解決方案分隔，但仍能容許電荷流通，從而為動力系統(tǒng)制造動力。該系統(tǒng)的優(yōu)勢之一在于其采用體積較大的電池倉，也就意味著有著更高的能量密度。600V額定電壓和50 A額定電流下，該系統(tǒng)能不斷輸出30 kW的最大功率。相比為當(dāng)今電動汽車提供動力的鋰離子電池技術(shù)而言，性能高出4倍，也就是說它的可行駛里程是同等質(zhì)量傳統(tǒng)元件的5倍。QUANTF原型車中搭載了體積為200升的電池倉，存儲容量為120kWh。該車在低負(fù)載條件下，百公里能耗約為20kWh。公司表示，今后有望將電池倉的體積擴(kuò)充至800升。車內(nèi)配備了4臺持續(xù)功率為120 kW、峰值功率為170kW的電機(jī)，可通過扭矩分配實(shí)現(xiàn)四驅(qū)駕駛，也能作為車內(nèi)兩個超級電容器的備用能量儲蓄裝置。每個車輪單獨(dú)峰值扭矩可達(dá)到2900Nm。

日本豐田汽車公司計劃在2020年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商用化。該公司早在2010年就推出了更安全、壽命更長、功率輸出更優(yōu)的全固態(tài)電池原型，希望它能在未來取代現(xiàn)有鋰離子電池。關(guān)于電池使用的安全問題一直廣受各方關(guān)注，這是由于鋰離子電池內(nèi)的有機(jī)溶劑具有可燃性，存在安全隱患。如果要徹底保證電池安全，就要把可燃燒的有機(jī)溶劑用更安全的不能燃燒的固體電解質(zhì)替換掉。而固態(tài)鋰電池有可能顯著提高電芯的安全性。全固態(tài)鋰電池沒有電解液，不易燃燒和爆炸，不會產(chǎn)生液體泄漏和腐蝕，在高溫下壽命不受影響，不易變形，電壓允許范圍更高。所以說，全固態(tài)電池是一種革命性技術(shù)，它可以在保證安全性的同時，提高電池能量密度。不過，單純強(qiáng)調(diào)安全性并不能把固態(tài)電池完全推向市場，性能的提升和成本的降低更加關(guān)鍵。目前固態(tài)電池安全性能更高，但是在其他主要性能上，比如充放電速率上和低溫特性上與采用液體電解質(zhì)的現(xiàn)有鋰離子電池有顯著的差距。這主要是在固體電解質(zhì)中離子傳輸速度較慢，固體電解質(zhì)和正負(fù)極材料界面的電阻很大，這些問題還沒有很好解決，所以快充的特性暫時沒有發(fā)揮出來。全固態(tài)電池在快充時更安全，目前在日本研究人員認(rèn)為其可以快充，但都還在實(shí)驗(yàn)室探索階段，離應(yīng)用較遠(yuǎn)。豐田歐洲先進(jìn)技術(shù)小組研究人員指出，全固態(tài)電池面臨的技術(shù)障礙是功率密度不夠高，原因在于電池陰極和固態(tài)電解質(zhì)之間的轉(zhuǎn)移電阻過高。因此，全固態(tài)電池開發(fā)過程中的主要任務(wù)就是提高它的功率密度。固態(tài)金屬鋰電池的特性使其負(fù)極可以使用金屬鋰，金屬鋰的容量是目前鋰離子電池中石墨負(fù)極的10倍，如果能解決金屬鋰使用和加工過程中的安全性問題，用金屬鋰作負(fù)極，用高能量密度材料作正極，電池能量密度會有1～3倍的提升，這也是降低成本有效辦法。

基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)的自組裝及復(fù)雜性中心和韓國浦項(xiàng)大學(xué)的研究人員，已開發(fā)出一種新型多孔固態(tài)鋰離子電池，可以提高性能并避免過熱的風(fēng)險。韓國科學(xué)家研究了多孔CB[6]的高度各向異性(取向依賴)質(zhì)子導(dǎo)電行為，可作為電池的電解質(zhì)。這種電解質(zhì)的鋰離子傳導(dǎo)很可能比現(xiàn)有的材料更安全?，F(xiàn)有鋰離子電池技術(shù)采用具有良好性能的夾層鋰，利用簡單浸泡方法制備有機(jī)固體基電解質(zhì)。但是，更輕且更高功率的技術(shù)需求促使新型電解質(zhì)的不斷被研發(fā)出來。新開發(fā)的電池由南瓜形狀的分子構(gòu)成，以蜂窩狀結(jié)構(gòu)分布。分子構(gòu)成極薄的平均直徑為0.75nm的一維通道并在其間傳遞。此外，多孔CB[6]的物理結(jié)構(gòu)可以使鋰離子比傳統(tǒng)的鋰離子電池更自由地擴(kuò)散，并不需要其他電池中的分離器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示多孔CB[6]固體電解質(zhì)具有良好的鋰離子電導(dǎo)率。研究小組進(jìn)行了鋰離子遷移數(shù)的測定，觀察到該值在0.7～0.8，超過現(xiàn)有電解質(zhì)的0.2～0.5。此外，他們將新電池暴露在溫度高達(dá)373K(99.85℃)的環(huán)境中，超過現(xiàn)有電池的標(biāo)準(zhǔn)高溫極限80℃。在實(shí)驗(yàn)中，電池在從 298～373K(24.85～99.85℃)循環(huán)變化四天。結(jié)果在任何周期后均無熱溢出現(xiàn)象，幾乎沒有或僅有很輕微的電導(dǎo)率變化。

大眾汽車公司也表示看好固態(tài)電池前景，并入股研發(fā)固態(tài)電池的創(chuàng)業(yè)公司QuantumScape。公司認(rèn)為，固態(tài)電池在儲能方面相對傳統(tǒng)鋰電池存在優(yōu)勢，另外還具有阻燃能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，安全性能更好。公司正在加利福尼亞州硅谷研發(fā)的一款新電池，其價格更低，體積更小，動力更強(qiáng)勁，可大幅提升電動車?yán)m(xù)航里程。公司透露，目前正計劃統(tǒng)一電池組規(guī)格，希望未來所有的電氣化車輛可以轉(zhuǎn)向單一的鋰離子電池單元設(shè)計。統(tǒng)一規(guī)格必然會帶來成本的下降，目標(biāo)是通過簡化電池單元設(shè)計降低66%的電池成本。作為對比，美國環(huán)保署EPA規(guī)定e-高爾夫純電動車平均續(xù)航里程應(yīng)達(dá)到83英里 (約合133公里)。這意味著倘若大眾電池性能滿足預(yù)期，電動車?yán)m(xù)航里程將達(dá)到EPA對高爾夫電動車要求的2.26倍。雖然300公里續(xù)航里程仍然不能和特斯拉ModelS的265英里相比，但大眾將推出的是更具備價格可承受性的電動車，因而在推廣普及電動車方面比ModelS意義更大。由于電池在能量密度上遠(yuǎn)不能同內(nèi)燃機(jī)相比，因此續(xù)航里程長期以來是電動車最大軟肋之一。大眾正在研發(fā)下一代鋰離子電池單元技術(shù)，能量密度可達(dá)到當(dāng)前電池的5倍之多。

美國BioSolar公司已經(jīng)同加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(UCSB)簽署協(xié)議，將繼續(xù)對雙方超級電池技術(shù)研究項(xiàng)目提供贊助資金。BioSolar與UCSB合作共同開發(fā)低成本、高性能材料結(jié)構(gòu)的超級電容和電池?；诤献鞒晒珺ioSolar還致力于在超級電池技術(shù)上尋求新的突破。BioSolar認(rèn)為，超級電池技術(shù)可以使得鋰電池存儲容量增加一倍、成本降低，同時電池壽命也有所延長。目前，該公司已經(jīng)為其同UCSB聯(lián)合開發(fā)的超級電池技術(shù)申請了知識產(chǎn)權(quán)專利保護(hù)。BioSolar公司稱，此次同UCSB進(jìn)一步深化合作將加快實(shí)現(xiàn)100美元 /千瓦時的使用成本目標(biāo)。

西班牙Graphenano公司同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出了首例石墨烯聚合材料電池。這種電池的壽命是鋰離子電池的2倍。用它來提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而將它充滿電只需要不到8分鐘的時間。在2015年3月西班牙石墨烯會議期間，Graphenano公司CEO表示，現(xiàn)在電池方面的實(shí)用發(fā)展階段還是紐扣電池，利用石墨烯材料做出的紐扣電池即將上市，未來還會進(jìn)一步應(yīng)用推進(jìn)到電動汽車動力電池。但是，石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用還有許多具體技術(shù)難題需要突破。

三星電子的新技術(shù)是在電池的陰極上加入一種硅涂層，當(dāng)中還包含著石墨烯材料，據(jù)稱可將鋰電池的容量翻倍。在這種新型涂層的幫助下，研究者成功打破了現(xiàn)有電池技術(shù)在充放電循環(huán)和容量上的限制，能在相同的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的容量，也就意味著續(xù)航能力的提升。

目前，不僅筆記本電腦、醫(yī)療植入式設(shè)備需要小型電池，空間應(yīng)用設(shè)備對質(zhì)量的要求也是越輕越好。另外隨著可穿戴設(shè)備的帶來，對電池的敏感度也越來越高。越來越多的研究開始集中到所謂的3D微電池上面。3D是在微觀層面上增加電極的層數(shù)來增加電極的表面積。表面積增加后，離子從一個電極移動到另一個電極也更加容易，這就增加了電池的功率密度，提高了電池充放電的速率。早在2013年，哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)就使用3D打印技術(shù)和鋰原料制造出了精度極高的陰極和陽極。而不久前，來自美國伊利諾伊大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種利用全息光刻技術(shù)制造3D電池的方法。在這項(xiàng)技術(shù)中，超精確的光束被用來產(chǎn)生3D結(jié)構(gòu)，即電極。全息光刻出現(xiàn)的時間比3D打印更早，所以更有機(jī)會實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模制造。但是，就像所有的電池技術(shù)一樣，在電池的功率密度和尺寸之間還有權(quán)衡。如果該技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，那么必然會產(chǎn)生巨大的影響。

此外，美國密歇根州的鋰電池初創(chuàng)公司Sakti3所研發(fā)的電池使用了新型材料和生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1000Wh/L的能量密度。Sakti3的電池將使電動車的續(xù)航里程從256英里提升到480英里(約772公里)，制造成本低，充放電速度快，更環(huán)保，而且比有些標(biāo)準(zhǔn)更安全。這項(xiàng)技術(shù)棄用了傳統(tǒng)鋰電池中的可燃液體電解質(zhì)，通過其高能存儲材料實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步。最重要的是，它的價格僅為每千瓦時100美元，未來能夠應(yīng)用在受限于成本和里程限制的電動汽車上。目前，Sakti3的鋰電池技術(shù)還處于研發(fā)階段，距離商品化還需要時間。很多電池初創(chuàng)公司都在努力將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)化成真實(shí)商品，但是一直也沒有重大突破，部分原因在于他們的原型產(chǎn)品是定制的，需要使用昂貴的制造技術(shù)，難以批量生產(chǎn)。而Sakti3的原型產(chǎn)品則采用了標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)過完善升級，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的可能性很大。

韓國的LG Chem宣布開發(fā)出新技術(shù)，電動車充電一次可行駛400～500公里，里程加倍，預(yù)計2017年就能量產(chǎn)。LG Chem預(yù)計，2017年LGChem會再次取得重大技術(shù)突破：到2017年或2018年，3萬美元、續(xù)航200英里 (約321公里)的電動汽車將成為商業(yè)化主流產(chǎn)品。

總之，科學(xué)家們?nèi)匀辉诓恍概?，積極研發(fā)各種各樣的新方法、新材料、新技術(shù)，并期待能夠獲得成功，盡早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，使電池技術(shù)不斷進(jìn)步。