鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1032次 | 2021年10月30日
傳統(tǒng)鋰離子電池技術(shù)接近瓶頸 電池技術(shù)沖破指日可待
不久前，我國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種可在零下70攝氏度使用的鋰離子電池，將來(lái)有望在地球極寒地區(qū)，甚至外太空使用。
據(jù)研究人員稱(chēng)，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(shí)日，緊要問(wèn)題是其能量密度太低，還比不上傳統(tǒng)的鋰離子電池。那么，電池技術(shù)何時(shí)才能有革命性的沖破？
傳統(tǒng)鋰離子電池技術(shù)接近瓶頸
“消費(fèi)電子、汽車(chē)和電網(wǎng)存儲(chǔ)是目前電池緊要使用的三個(gè)行業(yè)。我把這三個(gè)行業(yè)稱(chēng)為人們與電池連接的三大范疇。每個(gè)范疇對(duì)電池都有不同的要求，因此所使用的電池也可能（有時(shí)）大不相同。在你口袋里的手機(jī)要結(jié)實(shí)、安全的電池，重量和成本倒不用太考慮。而有關(guān)汽車(chē)電池行業(yè)而言，要的電池很多，因此成本和重量以及循環(huán)使用壽命（倘若新特斯拉每?jī)赡暌鼡Q一次新電池，你會(huì)抓狂的）就變得十分緊要。用于存儲(chǔ)房屋和電網(wǎng)的電力的電池對(duì)重量或尺寸要求則不高?！泵绹?guó)能源存儲(chǔ)研究聯(lián)合中心研究與開(kāi)發(fā)副主任溫克特·斯里尼瓦森說(shuō)。
幾乎電子行業(yè)的每一個(gè)部分都要電池，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)步比其他范疇慢得多，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(gè)月的電池。因?yàn)?，存?chǔ)在電池中的最大能量是由固有的元素決定。”
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(gè)商用鋰離子電池，鋰離子電池沿用至今被稱(chēng)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。
在鋰離子電池的構(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(gè)元素在正、負(fù)極中的嵌入與脫出，才可實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，最終完成充放電過(guò)程。
然而，鋰離子電池的技術(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上升的電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)等的需求。
近些年來(lái)，研究人員努力提高鋰離子電池的能量密度（電量體積容量比）、價(jià)值、安全性、環(huán)境影響以及試用壽命，并在設(shè)計(jì)全新類(lèi)型的電池。但帕瑟里尼表示，今朝傳統(tǒng)鋰離子電池技術(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
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
目前，科學(xué)家正致力于研發(fā)儲(chǔ)能更強(qiáng)、壽命更長(zhǎng)的新型電池，特別是在不同的范疇開(kāi)發(fā)出更為適合的電池，因?yàn)闆](méi)有一種電池可以適用所有范疇。
在汽車(chē)行業(yè)中，電池最終決定了汽車(chē)的壽命，也決定了人們有關(guān)電動(dòng)汽車(chē)的恐懼和焦慮。為了解決這個(gè)問(wèn)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(yáng)極晶格可以替換為硅，會(huì)擁有10倍多的鋰離子，但硅在吸收鋰離子時(shí)會(huì)膨脹，所以研究者們要處理這個(gè)問(wèn)題；將鋰金屬代替晶格充當(dāng)陽(yáng)極，但是有可能它在充電時(shí)會(huì)發(fā)生短路。而這是自鋰離子電池問(wèn)世二三十年以來(lái)，令電池制造商一直頭疼的老大難問(wèn)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(guó)外的一家能量存儲(chǔ)研究聯(lián)合中心正在使用計(jì)算機(jī)建模，研究將特定的氧化物材料作為鎂陽(yáng)極相對(duì)應(yīng)的陰極。鎂是非常有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)準(zhǔn)許每個(gè)原子接受兩個(gè)電子，這使得鎂可加倍儲(chǔ)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(duì)電池的充放電性能影響最大。發(fā)表在最新一期美國(guó)能源學(xué)術(shù)期刊《焦耳》上的研究顯示，我國(guó)復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、新能源研究院教授夏永姚率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出耐寒新電池，采用凝固點(diǎn)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(yáng)極。
夏永姚說(shuō)：“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。”新電池的材料充分、便宜且環(huán)保，他預(yù)計(jì)這種材料的價(jià)格惟有傳統(tǒng)鋰離子電池電極材料的約三分之一。
要了解，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)鋰離子電池在零下20攝氏度時(shí)性能惟有其最優(yōu)水平的50%，零下40攝氏度時(shí)惟有最優(yōu)水平的12%。
夏永姚對(duì)記者強(qiáng)調(diào)，新電池目前還是在試驗(yàn)室階段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化面對(duì)的緊要挑戰(zhàn)是這種電池的單位質(zhì)量能量與已商業(yè)化的鋰離子電池尚有差距，加工過(guò)程還需優(yōu)化，但具顯著使用潛力，因此，他的團(tuán)隊(duì)正在努力攻克難題。
對(duì)這項(xiàng)研究有網(wǎng)民提議，“特殊要求的專(zhuān)業(yè)電池，不要想著一定取代現(xiàn)有鋰離子電池，完全可以打差異化市場(chǎng)策略，在、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
既然鋰離子電池技術(shù)遇到瓶頸，人們就想到一些另辟蹊徑的方法，間接有效處理用戶對(duì)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(huì)上，公布了以“華為能源”之名亮相的使用石墨烯材料的鋰離子電池，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(wú)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(zhǎng)、耐高溫等多種優(yōu)異特性。
據(jù)解析，采用石墨烯材料的電池緊要優(yōu)點(diǎn)在于其使用壽命和充電速度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探測(cè)，石墨烯電池2000次充放電衰減率15%以?xún)?nèi)，同比一般鋰離子電池約40-80%，充電速度5000毫安時(shí)的半小時(shí)可以洋溢，倘若電路設(shè)計(jì)適宜，理論上可以5秒以?xún)?nèi)洋溢。而華為在電解液中加入高溫抗分析添加劑，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(shí)，通過(guò)利用石墨烯高效散熱的特點(diǎn)，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(shí)兼具高比能量的方向發(fā)展；而有關(guān)在電動(dòng)汽車(chē)中的使用，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(shí)際使用當(dāng)中，比之質(zhì)量比能量，體積比能量很多時(shí)候更加緊要。
一月二十六日，《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(duì)的研究工作，在石墨烯的致密組裝中，巧妙使用類(lèi)似變形金剛的“硫模板”，實(shí)現(xiàn)了包裹活性物質(zhì)的碳籠尺寸和形狀的精確設(shè)計(jì)，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。
“要指出的是有稱(chēng)‘石墨烯電池’的說(shuō)法，不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)。比較客觀的說(shuō)法，應(yīng)當(dāng)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(guò)石墨烯的添加或者輔助，可能會(huì)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(shí)候電池性能很小幅度的提高有關(guān)實(shí)際使用而言都是非常緊要的?！睏钊t對(duì)記者說(shuō)。
而“使用了石墨烯材料的電池”其本身還是鋰離子電池或者其他介質(zhì)電池，石墨烯本身不能存儲(chǔ)電能，緊要用途是把電池的兩極材料分開(kāi)，電子可以非常輕易穿過(guò)，使得電池的內(nèi)阻非常小，也就是為啥其充電速度快的原由。
從目前科研成果來(lái)看，采用石墨烯材料的電池的表現(xiàn)比鋰離子電池要好很多，特別是在電池的動(dòng)力特性、電容量、壽命等方面。然而，我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)李義春對(duì)記者說(shuō)，“目前有關(guān)石墨烯材料的電池的技術(shù)研究大多處于試驗(yàn)室階段，尚未達(dá)到實(shí)用化，離大批量加工還有很長(zhǎng)的路要走?！?/p>
超級(jí)電容技術(shù)值得期望
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，英國(guó)兩所大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)一種新型超級(jí)電容器材料，不僅能將充電時(shí)間縮短至10分鐘以?xún)?nèi)，還可將能量密度提高到180Wh/kg，高于目前鋰離子電池普遍的100-120Wh/kg。今年一月，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(jí)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(zhǎng)壽命、成本低廉和環(huán)保等優(yōu)越性能著稱(chēng)的超級(jí)電容器，具有非常大的使用前景。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，推動(dòng)其使用范圍從最初的電子設(shè)備范疇擴(kuò)展到動(dòng)力、儲(chǔ)能范疇。
據(jù)解析，超級(jí)電容器之所以稱(chēng)之為“超級(jí)”的原由，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，緊要依賴(lài)雙電層和氧化還原贗電容電荷儲(chǔ)存電能。但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。其在分離出的電荷中存儲(chǔ)能量，用于存儲(chǔ)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。
使用在軌道車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器可將回收制動(dòng)能量存儲(chǔ)，當(dāng)車(chē)輛再加速時(shí)，可將這些能量釋放出來(lái)，節(jié)省30％的能量。同時(shí)，每輛車(chē)用兩個(gè)系統(tǒng)，單個(gè)系統(tǒng)功率提升至300kw。國(guó)外混合動(dòng)力轎車(chē)使用超級(jí)電容技術(shù)已有先例。其能在短時(shí)間內(nèi)供響應(yīng)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(zhǎng)、工作溫度區(qū)域?qū)?；其使用的基礎(chǔ)材料價(jià)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(chēng)，電池技術(shù)可說(shuō)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?yàn)閹缀趺恳稽c(diǎn)微小的進(jìn)步或改變，都要經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和探測(cè)，以保證安全和穩(wěn)定。即使是發(fā)現(xiàn)了有關(guān)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)的沖破正在路上，請(qǐng)耐心等待。
