鉅大LARGE | 點擊量：1148次 | 2018年12月08日
隔膜儲存鋰離子 大幅提升能量密度？
一年已盡。
那些年初信誓旦旦叫囂著年底如何如何的企業(yè)，是否都成了臨淵而羨；那些在鋰電“撈金”熱潮中碩果累累的企業(yè)，是否又在政策的驟變中懊悔得魚忘筌。而不管這一年如何動蕩，作為鋰電人都不得不承認(rèn)，2017真的很精彩。
這一年，市場向龍頭企業(yè)的馬太效應(yīng)愈發(fā)凸顯，中小企業(yè)的淘汰已經(jīng)開始；這一年，動力企業(yè)與車企的合作進(jìn)一步深化，雙方的融合協(xié)同共進(jìn)成為業(yè)界共識；這一年，資本對產(chǎn)業(yè)的烙印更加深刻，無論是兼并購還是IPO，資本已成為動力企業(yè)前行的必備選項。
而站在技術(shù)的角度，2017年更是被譽為種種元年。以鋰電之父約翰·古德諾夫為起點，各大企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)相繼在“固態(tài)電池”的戰(zhàn)場中亮劍，2017成固態(tài)電池元年；寶馬、戴姆勒、通用、大眾、豐田、本田、現(xiàn)代等主流車企紛紛宣布燃料電池汽車進(jìn)度，2017成燃料電池元年；三元市場占比實現(xiàn)對磷酸鐵鋰的反超，堅守磷酸鐵鋰的比亞迪宣布明年純電動車型改用三元，2017成三元電池元年。
2017年值得說道的事情太多太多，但筆者想要強(qiáng)調(diào)的是，對于動力電池而言，鋰電池始終都是主流的技術(shù)路線，至少數(shù)十年內(nèi)不會更替。其中鋰電技術(shù)的近期目標(biāo)是通過高鎳三元正極、硅碳負(fù)極實現(xiàn)300wh/kg；中期(2025年)目標(biāo)是基于富鋰錳基/高容量Si—C負(fù)極，實現(xiàn)單體400wh/kg；遠(yuǎn)期則是開發(fā)鋰硫、鋰空電池，實現(xiàn)單體比能量500wh/kg。
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%
當(dāng)然，這個遠(yuǎn)期目標(biāo)還有待商榷，科學(xué)的發(fā)展往往出人意料，尤其是鋰電這個技術(shù)分支極廣的行業(yè)，但其核心問題都是解決能量密度、功率密度以及安全性。
下面就來看看本周鋰電行業(yè)都有哪些新技術(shù)和大事件吧。
1、新型燃料電池催化劑大幅降低制氫成本
據(jù)國外網(wǎng)站報道，圣巴巴拉加州大學(xué)(UCSB)的一個研究小組已經(jīng)探索出一種新的甲烷制取氫氣的方法，該方法較此前的技術(shù)成本更加低廉，同時也可以防止溫室氣體(例如二氧化碳)的生成？
UCSB團(tuán)隊研究使用熔融金屬和熔融鹽作為全新的催化體系。實驗表明，熔融合金中的不同金屬組合可能增強(qiáng)其催化活性，將甲烷轉(zhuǎn)化成氫氣和固態(tài)碳。研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種單步方法，通過該方法可以將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣，比傳統(tǒng)的SMR方法更簡單，更便宜，并且副產(chǎn)物為方便儲存的固態(tài)碳。
研究人員將甲烷氣體引入裝有催化活性的熔融金屬反應(yīng)器的底部。隨著氣泡的升高，甲烷分子容器壁上催化劑接觸，形成碳和氫氣。當(dāng)?shù)郊淄闅馀莸竭_(dá)容器頂部時，它已經(jīng)分解成氫氣，并從反應(yīng)堆頂部釋放出來。漂浮在液態(tài)金屬頂部的碳固體也可以方便分離出去。
與依靠固體表面上發(fā)生的反應(yīng)的常規(guī)方法相比，熔融金屬合金表面不會因碳的積聚而失活，并且可以無限期地重復(fù)使用。及時將反應(yīng)生成物中從反應(yīng)體系中分離出來，可以促進(jìn)反應(yīng)正向進(jìn)行，這個過程原則上可以在高壓下運行，使得甲烷的轉(zhuǎn)化率很高。
點評：目前的燃料電池產(chǎn)業(yè)化還不成規(guī)模，對氫氣的需求并不旺盛，因此對這種已經(jīng)商業(yè)化幾十年的蒸汽甲烷重整技術(shù)(SMR)并不感冒，畢竟SMR不僅消耗大量能量，還產(chǎn)生二氧化碳。不過隨著燃料電池技術(shù)的升級，一旦實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，這種新型催化劑的價值將成幾何倍數(shù)的體現(xiàn)出來。
2、新型復(fù)合鋰電隔膜可儲存鋰離子
瑞典烏普薩拉大學(xué)(UppsalaUniversity)的LeifNyholm教授和ZhaohuiWang研究員課題組利用簡單經(jīng)濟(jì)的paper-making法成功合成了Redox-active復(fù)合鋰離子電池隔膜，創(chuàng)造性地通過將惰性的隔膜層轉(zhuǎn)化成有鋰離子存儲容量的導(dǎo)電高分子材料層，有效提高了鋰離子電池的能量密度。
其核心思想就是將傳統(tǒng)的厚隔膜轉(zhuǎn)換成由一層薄的絕緣層和一層厚的活性層組成的雙層隔膜(Redox-activeSeparator)，以此來提高鋰離子電池的容量密度。
Redox-active隔膜中薄的絕緣層由納米纖維素纖維(NCFs:Nanocellulosefibers)構(gòu)成，厚的活性層由納米纖維素纖維和導(dǎo)電高分子聚吡咯(PPy:Polypyrrole)復(fù)合材料組成。在設(shè)計中，PPy層是需要對著電池正極放置的，因為當(dāng)電池工作時，電化學(xué)活性的PPy材料能通過陰離子脫嵌機(jī)理為電池提供正極材料以外的容量。
點評：從理論上說，通過隔膜來儲存鋰離子，確實能極大程度上的提升能量密度。但提升能量密度的方法何其多，這種新型隔膜除了能儲存鋰離子外是否還具備傳統(tǒng)隔膜的基本功效其實很難說，而這種隔膜的存在是否會對電解液產(chǎn)生影響更是缺乏大量的實驗，最為重要的是能否實現(xiàn)量產(chǎn)，如若不能，那這種隔膜的意義將蕩然無存。
3、ASU研究人員用陶瓷替代電解液解決鋰電池安全問題
亞利桑那州立大學(xué)的專家們解決了一大難題，未來的電池將成為便攜式小型電子件。Chan的團(tuán)隊提出用陶瓷來替代易燃的電解液，大部分安全問題都是由于短路引起的，電解液易著火，并引起氣體散發(fā)及材料降解等連鎖反應(yīng)。
目前研究人員正在利用更為穩(wěn)定的固態(tài)材料替代電解液，并維持其較高的離子導(dǎo)電性(ionicconductivity)。目前的挑戰(zhàn)在于，許多固體電解質(zhì)易碎，團(tuán)隊正在探索將具有鋰離子導(dǎo)電性的陶瓷納米材料與聚合物相融合，旨在獲得理想的固態(tài)電解質(zhì)，并確保其良好的機(jī)械性能、較高的鋰離子導(dǎo)電性及提升其安全性能。
點評：固態(tài)電池本身就已經(jīng)不是什么新鮮事情了，而陶瓷固態(tài)電解質(zhì)在固態(tài)電池的眾多技術(shù)路線中，甚至都排不上號，其并不出眾的電化學(xué)性能，限定了它的應(yīng)用場景幾乎只能在手機(jī)數(shù)碼等領(lǐng)域，當(dāng)然其應(yīng)用難度也低于硫化物、氧化物等固態(tài)電解質(zhì)研究方向。不過總體看來，陶瓷固態(tài)電池應(yīng)該很快就能真實應(yīng)用在消費者手中。
