鉅大LARGE | 點擊量：1298次 | 2018年07月02日
傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)突破指日可待
不久前，中國科學(xué)家開發(fā)出一種可在零下70攝氏度使用的鋰電池，未來有望在地球極寒地區(qū)，甚至外太空使用。
據(jù)研究人員稱，這種新電池使用的材料成本不高，還環(huán)保，但要想將其商業(yè)化尚有待時日，主要問題是其能量密度太低，還比不上傳統(tǒng)的鋰電池。那么，電池技術(shù)何時才能有革命性的突破？
傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)接近瓶頸
“消費電子、汽車和電網(wǎng)存儲是目前電池主要應(yīng)用的三個行業(yè)。我把這三個行業(yè)稱為人們與電池連接的三大領(lǐng)域。每個領(lǐng)域?qū)﹄姵囟加胁煌囊?，因此所使用的電池也可能（有時）大不相同。在你口袋里的手機(jī)需要結(jié)實、安全的電池，重量和成本倒不用太考慮。而對于汽車電池行業(yè)而言，需要的電池很多，因此成本和重量以及循環(huán)使用壽命（如果新特斯拉每兩年需要更換一次新電池，你會抓狂的）就變得十分重要。用于存儲房屋和電網(wǎng)的電力的電池對重量或尺寸要求則不高?！泵绹茉创鎯ρ芯柯?lián)合中心研究與開發(fā)副主任溫克特·斯里尼瓦森說。
幾乎電子行業(yè)的每一個部分都需要電池，從而也都受到電池的功率輸出和能量壽命的限制?！峨娫措s志》主編斯蒂法諾·帕瑟里尼指出，“電池的發(fā)展或進(jìn)步比其他領(lǐng)域慢得多，這是電池本身的局限性，你不能指望有能給手機(jī)供電一周或一個月的電池。因為，存儲在電池中的最大能量是由固有的元素決定?！?/p>
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1991年，索尼推出首個商用鋰電池，鋰電池沿用至今被稱為主流的電子設(shè)備電池技術(shù)。由于鋰離子是最輕的堿金屬元素，擁有著更小、更輕、能量密度更高的特性，所以迅速取代了鎳電池。
在鋰電池的構(gòu)成物質(zhì)中，有磷酸鐵、錳、石墨、鈦酸鹽等其他金屬和非金屬材料，但要靠著“鋰離子”這個元素在正、負(fù)極中的嵌入與脫出，才可實現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，最終完成充放電過程。
然而，鋰電池的技術(shù)進(jìn)步發(fā)展緩慢。目前鋰離子電池在能量密度、高低溫特性、倍率性能上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉛酸、鎳氫電池，但還是難以滿足快速增長的電子產(chǎn)品、電動汽車等的需求。
近些年來，研究人員努力提高鋰電池的能量密度（電量體積容量比）、價值、安全性、環(huán)境影響以及試用壽命，并在設(shè)計全新類型的電池。但帕瑟里尼表示，現(xiàn)在傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)已接近瓶頸，進(jìn)一步優(yōu)化的空間有限。
創(chuàng)新思路催生新型電池
目前，科學(xué)家正致力于研發(fā)儲能更強(qiáng)、壽命更長的新型電池，特別是在不同的領(lǐng)域開發(fā)出更為適合的電池，因為沒有一種電池可以適用所有領(lǐng)域。
在汽車行業(yè)中，電池最終決定了汽車的壽命，也決定了人們對于電動汽車的恐懼和焦慮。為了解決這個問題，工程師和科學(xué)家正在嘗試將更多的電壓容量填充到電池中。目前，大量的研究致力于尋找新的材料和化學(xué)品以輔助或替換鋰離子晶格或電池的其它部分。
例如一些創(chuàng)新的做法，將傳統(tǒng)的石墨陽極晶格可以替換為硅，會擁有10倍多的鋰離子，但硅在吸收鋰離子時會膨脹，所以研究者們需要解決這個問題；將鋰金屬代替晶格充當(dāng)陽極，但是有可能它在充電時會發(fā)生短路。而這是自鋰電池問世二三十年以來，令電池制造商一直頭疼的老大難問題。
也許，鋰可以完全被替換？例如，鈉或鎂，再或其他的物質(zhì)材料。國外的一家能量存儲研究聯(lián)合中心正在使用計算機(jī)建模，研究將特定的氧化物材料作為鎂陽極相對應(yīng)的陰極。鎂是非常有優(yōu)點的，因為其結(jié)構(gòu)允許每個原子接受兩個電子，這使得鎂可加倍儲存電荷。
還一種思路，琢磨電池的“心臟”——電極/電解液界面。
在所有的環(huán)境因素中，溫度對電池的充放電性能影響最大。發(fā)表在最新一期美國能源學(xué)術(shù)期刊《焦耳》上的研究顯示，中國復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、新能源研究院教授夏永姚帶領(lǐng)團(tuán)隊開發(fā)出耐寒新電池，采用凝固點低、可在極端低溫條件下導(dǎo)電的乙酸乙酯作為電解液，并使用兩種有機(jī)化合物分別作為電極的陰極和陽極。
夏永姚說：“乙酸乙酯電解液和有機(jī)高分子電極讓可充電電池在零下70攝氏度的極低溫條件下工作?！毙码姵氐牟牧铣渥?、便宜且環(huán)保，他預(yù)計這種材料的價格只有傳統(tǒng)鋰電池電極材料的約三分之一。
要知道，在俄羅斯和加拿大等極寒地區(qū)，溫度低于零下50攝氏度；在太空中，溫度低至零下157攝氏度。而傳統(tǒng)鋰電池在零下20攝氏度時性能只有其最優(yōu)水平的50%，零下40攝氏度時只有最優(yōu)水平的12%。
夏永姚對記者強(qiáng)調(diào)，新電池目前還是在實驗室階段，實現(xiàn)產(chǎn)品化面臨的主要挑戰(zhàn)是這種電池的單位質(zhì)量能量與已商業(yè)化的鋰電池尚有差距，生產(chǎn)過程還需優(yōu)化，但具顯著應(yīng)用潛力，因此，他的團(tuán)隊正在努力攻克難題。
對這項研究有網(wǎng)民建議，“特殊要求的專業(yè)電池，不要想著一定取代現(xiàn)有鋰電池，完全可以打差異化市場策略，在特種、工業(yè)等特殊環(huán)境體現(xiàn)用途?！?/p>
使用石墨烯材料的電池表現(xiàn)出色
既然鋰電池技術(shù)遇到瓶頸，人們就想到一些另辟蹊徑的辦法，間接有效解決用戶對續(xù)航的需求，而在研究中發(fā)現(xiàn)，使用石墨烯材料的電池表現(xiàn)出色。
華為曾在第57屆日本電池大會上，發(fā)布了以“華為能源”之名亮相的使用石墨烯材料的鋰電池，展示出電池快充技術(shù)，僅用5分鐘就將一塊3000毫安的電池充到了48%的電量，無疑其效果比高通的QuickCharge技術(shù)和OPPO的VOOC閃充技術(shù)更為振奮人心。而且，與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，該電池具有壽命長、耐高溫等多種優(yōu)異特性。
據(jù)介紹，采用石墨烯材料的電池主要優(yōu)勢在于其使用壽命和充電速度。經(jīng)過試驗測試，石墨烯電池2000次充放電衰減率15%以內(nèi)，同比普通鋰電池約40-80%，充電速度5000毫安時的半小時可以充滿，如果電路設(shè)計合適，理論上可以5秒以內(nèi)充滿。而華為在電解液中加入高溫抗分解添加劑，配合高溫穩(wěn)定的大單晶正極，大幅提升電池?zé)岱€(wěn)定性。與此同時，通過利用石墨烯高效散熱的特點，同等工況下電池溫度降低5℃。
目前，隨著電子產(chǎn)品的便攜化發(fā)展，電池也朝小型、輕薄同時兼具高比能量的方向發(fā)展；而對于在電動汽車中的應(yīng)用，高的體積比能量也意味著一定容積的電池可以裝填更多的活性物質(zhì)。因此在實際應(yīng)用當(dāng)中，比之質(zhì)量比能量，體積比能量很多時候更加重要。
1月26日，《自然·通訊》在線發(fā)表了天津大學(xué)化工學(xué)院楊全紅教授團(tuán)隊的研究工作，在石墨烯的致密組裝中，巧妙應(yīng)用類似變形金剛的“硫模板”，實現(xiàn)了包裹活性物質(zhì)的碳籠尺寸和形狀的精確設(shè)計，從而大幅提高鋰離子電池體積能量密度，使其變得“更小”成為可能。
“需要指出的是有稱‘石墨烯電池’的說法，不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)。比較客觀的說法，應(yīng)該是‘使用了石墨烯材料的電池’，石墨烯是一種‘至柔至薄’的碳材料，通過石墨烯的添加或者輔助，可能會達(dá)到傳統(tǒng)碳材料或者傳統(tǒng)技術(shù)難于達(dá)到的某些功能，而有些時候電池性能很小幅度的提高對于實際應(yīng)用而言都是非常重要的?！睏钊t對記者說。
而“使用了石墨烯材料的電池”其本身還是鋰電池或者其他介質(zhì)電池，石墨烯本身不能存儲電能，主要作用是把電池的兩極材料分開，電子可以非常輕易穿過，使得電池的內(nèi)阻非常小，也就是為啥其充電速度快的原因。
從目前科研成果來看，采用石墨烯材料的電池的表現(xiàn)比鋰電池要好很多，特別是在電池的動力特性、電容量、壽命等方面。然而，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長李義春對記者說，“目前有關(guān)石墨烯材料的電池的技術(shù)研究大多處于實驗室階段，尚未達(dá)到實用化，離大批量生產(chǎn)還有很長的路要走?！?/p>
超級電容技術(shù)值得期待
據(jù)國外媒體報道，英國兩所大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)一種新型超級電容器材料，不僅能將充電時間縮短至10分鐘以內(nèi)，還可將能量密度提高到180Wh/kg，高于目前鋰電池普遍的100-120Wh/kg。今年1月，南京理工大學(xué)格萊特納米科技研究所夏暉教授課題組也發(fā)現(xiàn)了一種可讓超級電容器的電容量提高5-10倍的新材料。
相比傳統(tǒng)的化學(xué)電池，以大容量、高功率、長壽命、成本低廉和環(huán)保等優(yōu)越性能著稱的超級電容器，具有非常大的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，推動其應(yīng)用范圍從最初的電子設(shè)備領(lǐng)域擴(kuò)展到動力、儲能領(lǐng)域。
據(jù)介紹，超級電容器之所以稱之為“超級”的原因，在于其是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。其在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。由此，龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得它較傳統(tǒng)電容器而言，有驚人大的靜電容量。
應(yīng)用在軌道車輛制動時，超級電容器可將回收制動能量存儲，當(dāng)車輛再加速時，可將這些能量釋放出來，節(jié)省30％的能量。同時，每輛車用兩個系統(tǒng)，單個系統(tǒng)功率提升至300kw。國外混合動力轎車使用超級電容技術(shù)已有先例。其能在短時間內(nèi)提供和吸收大的功率，而且能量回收效率高、充放電次數(shù)高、循環(huán)壽命長、工作溫度區(qū)域?qū)?；其使用的基礎(chǔ)材料價格也很便宜，適合頻繁加速和減速的城市交通狀況。
有的科學(xué)家稱，電池技術(shù)可說是一種“混沌的藝術(shù)”。它之所以發(fā)展得那么慢，很大程度上是因為幾乎每一點微小的進(jìn)步或改變，都需要經(jīng)過大量的實驗和測試，以保證安全和穩(wěn)定。即使是發(fā)現(xiàn)了對于提升能量密度很有幫助的材料，都不能保證它真的能用。
所以，電池技術(shù)的突破正在路上，請耐心等待。
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