現代創(chuàng )新推進(jìn)電池技術(shù)

美國科技作家特里·珀森(Terry Persun)五月中旬在A(yíng)SME網(wǎng)站發(fā)表文章說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)革命的焦點(diǎn)已轉向電池技術(shù)[1]。電動(dòng)汽車(chē)的興起讓人們開(kāi)始關(guān)注鋰離子電池的局限性。固體電池和替代鋰離子電池材料正引起人們的興趣。

移動(dòng)設備和電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，已將電池技術(shù)推向極限。電池設計的新進(jìn)展需要滿(mǎn)足當今的能源需求。

從手持工具到電腦和手機，從不間斷電源到衛星，電池一直都是個(gè)重要的設計特征。 多年來(lái)，電池研究一直在增加能量密度(給定大小和重量下能源的量值)。從工業(yè)測量工具到移動(dòng)電話(huà)，手持設備的興起帶來(lái)了更大能量密度的需求。 通信衛星的增大，意味著(zhù)電池的重量是個(gè)因素。 每項技術(shù)進(jìn)步都傾向于把電池性能放在首位。在實(shí)驗室致力于電池技術(shù)升級的同時(shí)，電子技術(shù)繼續以更快的速度發(fā)展，需要的能量和功率也在不斷增大。

但直到電動(dòng)汽車(chē)(EV)問(wèn)世，制造商才開(kāi)始認真考慮電池的重要性，以提供更大的續航里程、更高的可靠性和更低的成本。對于電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，尺寸和重量與循環(huán)壽命一樣重要。 電池分為主電池(通常是一次性的，用于長(cháng)期、低功率的應用)和二次電池(可充電的)，已經(jīng)看到它們一個(gè)又一個(gè)的創(chuàng )新，因為試圖提供比以前更高的能量密度。

當前電池的狀態(tài)

今天，最先進(jìn)的一次性電池技術(shù)是以金屬鋰、亞硫酰氯(Li-SOCl2)和氧化錳(Li-MnO2)為基礎的。 適用于5～20年的長(cháng)期應用，包括計量、電子收費、跟蹤、物聯(lián)網(wǎng)等。用于電信、航空和鐵路應用的充電電池的主要化學(xué)成分是鎳基(Ni-Cd, Ni-MH)電池。 鋰離子電池主導消費電子市場(chǎng)，并已將其應用擴展到電動(dòng)汽車(chē)。 值得注意的是，電動(dòng)汽車(chē)中使用的鋰離子電池數量超過(guò)了移動(dòng)和信息技術(shù)應用的總和。

在手機、平板電腦和筆記本電腦市場(chǎng)增長(cháng)的刺激下，推動(dòng)鋰離子電池的能量密度越來(lái)越高。它與電池運行的小時(shí)數直接相關(guān)。 這個(gè)領(lǐng)域的電池專(zhuān)家，不斷調整技術(shù)以獲得更大的密度，包括改變化學(xué)成分和修改設計。他們甚至考慮了原材料供應鏈，認為鈷作為鋰離子設計的添加劑是昂貴和困難的。

鋰離子電池是當今電池功率和儲能的主要來(lái)源。

能量密度的單位是每公斤的瓦特小時(shí)數(Wh/kg)。鋰離子設計提供最高密度250-270Wh/kg的商用電池。相比之下，鉛酸電池的容量不足100 Wh/kg，鎳氫電池的容量?jì)H略高于100 Wh/kg。除了能量密度外，功率密度也是個(gè)重要的考慮因素。功率密度測量的是電池放電(或充電)的速率與能量密度的比值，能量密度是對總充電量的測量。例如，一個(gè)大功率的電池可以在幾分鐘內放電完畢。 高能電池能放電幾個(gè)小時(shí)。 電池設計本質(zhì)上是在能量密度和功率密度之間的權衡。據美國固體技術(shù)公司(Solid State Technology)技術(shù)經(jīng)理Joong Sun Park說(shuō)，“就功率密度而言，鋰離子電池可以極其強大，而統計關(guān)聯(lián)流體理論(Saft)能生產(chǎn)世界聯(lián)合攻擊戰斗機和方程式賽車(chē)用功率密度最高的鋰離子電池，范圍高達50 kW/kg。”

在過(guò)去的30年里，鋰離子電池技術(shù)已取得顯著(zhù)進(jìn)步，但由于材料的限制，最好的鋰離子電池性能已接近極限。它們還有重大的安全隱患，譬如過(guò)熱時(shí)容易著(zhù)火，致使成本上升，因為電池系統必須內含安全功能。

問(wèn)到替代鋰離子的材料，Park說(shuō)，“我們正在開(kāi)發(fā)替代材料和電池化學(xué)，以超越鋰離子，包括以鋰硫、鈉、鎂為基礎的設計。 一旦商業(yè)化，這些電池在能量密度或成本方面，肯定比現有的鋰離子電池有潛在的優(yōu)勢。 但與鋰離子電池相比，目前的技術(shù)成熟度還比較低。 因此，要與鋰離子電池競爭，就需要從可用材料到制造工藝方面有進(jìn)一步的突破。” 最終看來(lái)，由于實(shí)際生產(chǎn)和學(xué)術(shù)研究之間的差距，鋰/鍶電池目前還沒(méi)有準備好商業(yè)化，但正在認真研究。

帕克解釋說(shuō)，“減少碳污染的努力還與電池等儲能設備相結合，推動(dòng)太陽(yáng)能和風(fēng)能等可持續能源發(fā)電的發(fā)展。” 這暗示一個(gè)事實(shí)，即更大的需求導致材料選擇、設計和制造過(guò)程的創(chuàng )新。 固體聚合物、陶瓷和玻璃電解液等材料，使固體電池和新型環(huán)保工藝，能去除鋰離子電池制造過(guò)程中使用的有毒溶劑。

固體電池

雖然目前這個(gè)行業(yè)主要集中在鋰離子電池上，但也在向固體電池設計轉變。 據美國可靠能源公司(Solid Power)首席執行官與聯(lián)合創(chuàng )始人道格•坎貝爾(Doug Campbell)說(shuō)，“上個(gè)世紀90年代最早發(fā)明鋰離子并商業(yè)化，到現在基本上沒(méi)有什么變化。 幾乎都有相同的電極組合，只有極小的調整。 這個(gè)行業(yè)已經(jīng)盡可能多地利用這項技術(shù)進(jìn)行設計。” 可靠電力公司已試驗了幾種類(lèi)型的材料，包括聚合物、氧化物和硫化物。 每一種都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。通過(guò)他們的研究，已選定進(jìn)一步發(fā)展硫化物技術(shù)。

從液態(tài)電解質(zhì)電池到固體電池似乎不是傳統的設計，但其目標是在能量密度上跨越現有的能力。金屬鋰在液體電池系統中形成“樹(shù)突”，影響電池的循環(huán)壽命和安全性。固態(tài)電解質(zhì)本身更安全，機械剛性更強，可以在不影響安全性的情況下增大電池的能量密度。

許多像Solid Power這樣的公司正在領(lǐng)導固態(tài)電池生產(chǎn)方面的變革。

固體電池技術(shù)包括固態(tài)金屬電極和固態(tài)電解質(zhì)。雖然化學(xué)成分基本相同，但固態(tài)設計可避免電極處的泄漏和腐蝕，降低火災風(fēng)險，并降低設計成本，因為無(wú)需考慮安全特性問(wèn)題。 固體電解質(zhì)設計也使“形狀”因素更小，意味著(zhù)重量更小。最重要的是，固體電池有望克服目前遭受的能量密度限制。人們相信，如果設計得當，使用金屬鋰，理論上能使鋰離子電池技術(shù)的容量增加一倍。 金屬鋰的容量是目前鋰離子電池使用標準碳陽(yáng)極的10倍。

為什么轉向固體電池

出于多種原因，這個(gè)行業(yè)目前正轉向固體電池。 最重要的是，使用液態(tài)電解質(zhì)的標準鋰電池，即使對設計進(jìn)行微調以獲得更大的密度，也已突破所使用電極組合的理論極限。 然而，從市場(chǎng)的角度來(lái)看，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)在市場(chǎng)上的強勢發(fā)展，不斷增加能量密度是個(gè)重要的需求，而能量密度的每次增長(cháng)，都與汽車(chē)的續航里程和電池壽命的增加成正比。對于更大容量電極的需求，比如固態(tài)鋰金屬，意味著(zhù)每千克的“Wh”數可以提高50%到100%。 此外，還有一些輔助的利益，包括用穩定的固體材料取代易揮發(fā)和易燃的液態(tài)電解質(zhì)，這種材料不會(huì )出現過(guò)去看到的“熱失控”問(wèn)題，即固體鋰離子在化學(xué)上更安全。

然而，仍有一些問(wèn)題需要解決，比如哪種材料效率最高，哪種生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)生的最終產(chǎn)品成本最低。目前，能夠在市場(chǎng)上競爭的固體電池僅限于小型電池。 第一個(gè)上市的固體電池是薄膜電池。 這些納米電池是由層狀材料組成的，它起電極和電解質(zhì)的作用。薄膜固體電池在結構上與傳統的可充電電池相似，非常薄而且靈活。 除了重量輕、體積小之外，薄膜電池還為更小的電子設備(如起搏器、無(wú)線(xiàn)傳感器、智能卡和電子標簽)提供更高的能量密度。

除了增加電池容量，固體電池有望克服能源密度和尺寸的限制。

除了解決負擔得起和尺寸問(wèn)題外，固體電池還面臨著(zhù)技術(shù)上的挑戰。 固體電池要更加安全，但仍存在“樹(shù)突”問(wèn)題，即在電池充放電時(shí)，在陽(yáng)極上形成金屬鋰的根狀積聚。 樹(shù)突積累，降低了固態(tài)電解質(zhì)的容量，因而減少了儲存的電荷量。

找到合適的分離材料，允許鋰離子在電極之間流動(dòng)，同時(shí)還阻塞樹(shù)突，是開(kāi)發(fā)者面臨的最大挑戰。 根據最近的一篇論文《固體電池界面的穩定性》[2]，研究人員使用了聚合物(廣泛用于液態(tài)電解質(zhì)電池)或硬陶瓷等材料。 聚合物不會(huì )阻塞樹(shù)枝狀結構，而所用的大多數陶瓷都很脆，不能持續多次充電。樹(shù)突問(wèn)題一旦得到解決，固體電池有望為消費者提供某些誘人的性能優(yōu)勢：充電速度更快、能量密度更高、生命周期更長(cháng)，而且更安全。

正在開(kāi)發(fā)的另一種方法是“無(wú)損陽(yáng)極”設計。 電池在使用過(guò)程放電，鋰從陽(yáng)極流向陰極;在這種情況下，陽(yáng)極的厚度減小。 但在電池充電時(shí)，過(guò)程相反，鋰離子涌回陽(yáng)極。

另一家公司即美國錫安能源(Sion Power)，已從Li/S轉向Licerion牌鋰-金屬專(zhuān)利技術(shù)。 據它們技術(shù)信息的說(shuō)法，Sion Power通過(guò)開(kāi)發(fā)多層面的方法，保護鋰金屬陽(yáng)極，克服了困擾鋰金屬化學(xué)的能量密度(Wh/L)和循環(huán)壽命的歷史問(wèn)題。 這種方法包含三個(gè)級別的保護：柵元內的化學(xué)保護、物理保護和包級的物理保護。它們使用專(zhuān)利的、受保護的鋰陽(yáng)極(PLA)技術(shù)，通過(guò)一種薄而化學(xué)穩定、離子導電的陶瓷聚合物屏障，做金屬鋰陽(yáng)極的物理保護。這使得電解液添加劑在電池水平上穩定在陽(yáng)極表面，從而提高循環(huán)壽命和增加能量。包級保護包含專(zhuān)有的柵元壓縮，還有個(gè)先進(jìn)的電池管理系統。

儲能的未來(lái)

比賽開(kāi)始了。 隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量飆升，高密度、長(cháng)壽命和低成本電池的需求，意味著(zhù)固體電池的競爭環(huán)境變得越來(lái)越擁擠。這對這種電池的研究和開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，是好消息，因為這是固體電池迅速進(jìn)入市場(chǎng)所需要的。目前，一些材料和設計正在探索中，并出現了顯著(zhù)的進(jìn)展。

已經(jīng)證明小型電池提供了固體電池需更高的性能，所以大型電池的制造過(guò)程也就是個(gè)時(shí)間問(wèn)題。 有幾家公司表示，這些電池最早將在明年上市，到2025年才會(huì )有更多的電池上市。 就像液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池一樣，一旦制造業(yè)趕上來(lái)，將進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)創(chuàng )新。 這意味著(zhù)我們很可能會(huì )看到材料和設計方法的調整，從而在未來(lái)幾年，推動(dòng)電池性能的發(fā)展。

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