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充電鋰電池技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)在于電池材料及工藝

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:551次  |  2022年01月21日  

據(jù)外媒報(bào)道,新一代的電動(dòng)汽車自10年前起開始出現(xiàn)在路面上。美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員耗費(fèi)了一年時(shí)間,追蹤了近500名美國駕駛員的駕駛習(xí)慣,旨在確認(rèn)電動(dòng)汽車是否適合這類人群使用。


研究人員發(fā)現(xiàn),近三分之一的受訪者表示,他(她)們可以用續(xù)航里程為100英里(約合160公里)的電動(dòng)汽車完成其絕大部分出行活動(dòng)。只有6%的情況所涉及的出行距離較遠(yuǎn),可能要用戶將電量充滿后再出行,或租用一輛汽油車。


如今,電動(dòng)汽車的發(fā)展情況更好了。許多電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程數(shù)已遠(yuǎn)不止200英里(約合320公里),某些大尺寸、高端車型的續(xù)航里程數(shù)甚至能達(dá)到近400公里。畢竟,仍有許多潛在的購車用戶擔(dān)心車輛在半途中電量耗盡。長續(xù)航版電池可緩解用戶的"電動(dòng)汽車?yán)锍虜?shù)焦慮",但"還有很多坑要填"。


許多電動(dòng)汽車所搭載的電池都是鋰離子電池,該款產(chǎn)品是索尼公司于1991年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的電池設(shè)計(jì),該類電池的特別之處在于其蓄能容量較高。目前,電動(dòng)汽車車載電池的能量密度通常為200wh/kg,當(dāng)代鋰離子電池可將200watt——hour的電勢(shì)注入到1千克的電池套件(kit)中。該數(shù)據(jù)是舊款鉛酸電池的5倍,研究人員們正在持續(xù)研究改進(jìn),旨在提升鋰離子電池性能。


鋰離子電池的名字取自其內(nèi)部的鋰離子。但這類電池放電時(shí),陽極會(huì)出現(xiàn)鋰離子。然后,該鋰離子將通過電池隔板(只有鋰離子能通過)至電解液中,然后再擴(kuò)散至陰極。陽極的電子將消失,沿著外部電路進(jìn)入陰極。在該過程中出現(xiàn)的電流將被用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而在陰極位置,離子和電子重新結(jié)合。該情況將持續(xù)至用戶通過充電線纜將車輛和充電設(shè)備連通時(shí),整個(gè)流程將逆轉(zhuǎn)。

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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%

關(guān)于車輛這類重量敏感型應(yīng)用而言,鋰金屬是化學(xué)元素周期表中最輕的一款金屬,但該金屬的(化學(xué))反應(yīng)性也較高。電芯的構(gòu)建要非常謹(jǐn)慎,防止瑕疵,否則將可能引發(fā)電池短路乃至于電池起火事故。陽極通常由富碳材料(carbon——richmaterial)組成,陰極內(nèi)的鋰金屬通常容易被部分氧化,從而生成鋰鈷氧化物(lithiumcobaltoxide)。


而鈷金屬是最為昂貴的一款電池材料,電池制造商們都試圖減少該材料的使用量。許多鈷礦都位于剛果民主共和國,而采礦條件非常惡劣,甚至有使用童工的情況出現(xiàn)。業(yè)內(nèi)的主流思路是減少電鈷金屬在鋰離子電池內(nèi)的使用量,同時(shí)調(diào)升鎳和錳的用量,以便生產(chǎn)NMC電池(三元鋰離子電池)。


去年,我國最大的電池制造商——CATL開始量產(chǎn)NMC電池,其能量密度達(dá)到240wh/kg。而TSLA等其他公司則希望進(jìn)一步削減甚至擺脫對(duì)鈷金屬的依賴,但TSLA卻對(duì)其電池計(jì)劃的明細(xì)內(nèi)容守口如瓶。


為降低電池材料的成本,隨著CATL、TSLA及其他對(duì)手的產(chǎn)量提升,這類電池的價(jià)格將穩(wěn)步下降。據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)透露,2012年鋰離子電池的平均售價(jià)為1160美元/千瓦時(shí)(約合8204.68元/千瓦時(shí))。到2024年,其售價(jià)將低于100美元/千瓦時(shí)(約合707.3元/千瓦時(shí))(見圖表)。屆時(shí),和內(nèi)燃機(jī)車相比較,電動(dòng)汽車的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將更大。


為提升電動(dòng)汽車的續(xù)航里程數(shù),許多業(yè)內(nèi)人士將其希望放在固態(tài)電池上,而非液態(tài)電池上。鋰離子可通過某類固態(tài)電解質(zhì)的"隧道"(tunnelthrough)。這類電池的安全性更高,也有望使用其他電解質(zhì)材料,從而獲得更高的能量密度。在各類最新的固態(tài)電池方法中,三星在韓國和日本的實(shí)驗(yàn)室提出了一款設(shè)計(jì),牽頭人為DongminIm。該設(shè)計(jì)采用了一款NMC陰極、銀、碳復(fù)合物組成的陽極及一款基于硫銀鍺礦基材的固態(tài)電解質(zhì),硫銀鍺礦重要由銀、鍺和硫三類材料組成。

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標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量: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、無人設(shè)備

據(jù)該團(tuán)隊(duì)于今年三月公布的論文顯示,這類電池的能量密度為900wh/l,這意味著相較于傳統(tǒng)鋰離子電池,在既定(同等)體積下,新電池的容量已實(shí)現(xiàn)翻番。該研究小組預(yù)計(jì),該類電池的能量密度為430wh/kg,從而將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程數(shù)提升至800公里?;诹蜚y鍺礦基材的電池不會(huì)出現(xiàn)名為鋰晶枝的針狀結(jié)晶物,該類物質(zhì)通常在鋰離子電池充電時(shí)生成。


該團(tuán)隊(duì)表示,相較于當(dāng)前的電池,該款固態(tài)鋰離子電池更具備成本效益。不幸的是,研究人員表示,目前尚難以確定何時(shí)才能該款電池,也不確定應(yīng)如何量產(chǎn)該款電池,這是電池類設(shè)備的通病。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的電池專家ArumugamManthiram指出,固態(tài)電池研發(fā)過程中的兩大難題。


首先,固態(tài)(電極和電解質(zhì))面對(duì)面放置,將僅限制在電解質(zhì)和電極間通過的接觸點(diǎn)。相較之下,液態(tài)和固態(tài)間(電極和電解液)的接觸點(diǎn)是持續(xù)的。有一種方式可以克服該難題,即采用一款聚合物電解質(zhì)(polymerelectrolyte),但材料的柔性需足夠高,確保其表面能和固態(tài)電極。Manthiram博士評(píng)論道:"唉,我們尚未找到良好的聚合物材料。"


第二個(gè)問題在于制造。許多固態(tài)電解質(zhì)是陶瓷材質(zhì)的,非常容易碎,這導(dǎo)致在大批量生產(chǎn)時(shí)存在難題,但聚合物就能防止這類難題。然而,仍不得不面對(duì)前一個(gè)問題——聚合物的選材。


此外,這類鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的新理念已經(jīng)足夠成熟,之前的既得利益者們將被迫出局。從液態(tài)電解質(zhì)向固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展,這意味著要建立一家造價(jià)高昂的新廠。此外,研發(fā)更優(yōu)質(zhì)的液態(tài)電解質(zhì)、采用可匹配的新款電極可能是朝著安全性更高、電量更大鋰離子電池的最可靠的技術(shù)路線。


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