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新贵铝电池现身 锂电池未来走向何方?

导读: 目前市场上的主流电池仍是锂电池,甚至镍氢电池亦未完全退出舞台。铝离子电池的出现,夸张一点讲是颠覆式的,但比被“妖魔化”的石墨烯超级电池多了一层现实的质感。面对如此劲敌,锂电池的未来会走向何方呢?我们且简单解析一番。

  OFweek锂电网讯:本月初,美国斯坦福大学以戴宏杰教授为首的研究小组发表了关于铝离子电池的论文,一石激起千层浪,专家媒体一致认为这是电池行业的重大突破。据悉,这种铝离子电池能实现快速充放电,且循环次数高达7500次,远远超过普通锂电池(一般为300次)。另外,这种铝电池具有高效耐用、可超快充电、低可燃性、高安全性、低成本等特点。

  目前市场上的主流电池仍是锂电池,甚至镍氢电池亦未完全退出舞台。铝离子电池的出现,夸张一点讲是颠覆式的,但比被“妖魔化”的石墨烯超级电池多了一层现实的质感。面对如此劲敌,锂电池的未来会走向何方呢?我们且简单解析一番。

  一、锂离子动力电池遭遇四大瓶颈

  清华大学深圳研究生院的贺艳兵教授在“OFweek2015中国锂电技术产业研讨会”上表示,目前锂离子动力电池发展有四大瓶颈:能量密度低、快速充电性能差、低温充放电性能差以及安全性差。

  电池的能量密度是指电池的平均单位体积或质量所释放出的电能。贺教授认为正负极材料的比容量低,导致锂离子电池的能量密度较低。

新贵铝电池现身 锂电池未来走向何方?

  四川兴能新材料有限公司研究院副院长龚本利在“OFweek2015中国锂电技术产业研讨会”上表示锂离子产业化非常精细,利用率很高,实际能量密度与理论能量密度的比值最高可达61%,实际能量密度在150-220Wh/kg,而在可以预见的未来,终极目标乐观估值可达500-700 Wh/kg。

  普通锂离子电池的能量密度较低这点毋庸置疑,唯有加大科研力度才是解决的办法。

  快速充电性能差则表现在两个方面:锂离子在石墨电极内部扩散慢,在电极内部运输慢;而低温充放电性能差与锂离子在电极内部的扩散路径长和电解液的低温活度小有关系;消费者最关心的安全性问题归根结底是电极材料与液态电解液反应活性大的问题。

  以上四大瓶颈是锂电池科研工作者一直想破解的问题,下面我们从材料层面来说说。

  单就电解质而言,目前锂离子电池主要是用液态电解质,但液态电解质的缺点十分明显:易燃、易渗漏、与碳负极材料具有很强的热反应活性。我们平常听闻的电池安全事故,电解质有无法推卸的干系。

  除了电解质,锂离子电池的主要组成成分还包括正极材料、负极材料和隔膜。

  关于负极材料,目前应用最广泛的当属石墨材料。对于其他负极材料,贺教授表示,新型纳米碳材料虽然具有比容量高,但是需要解决首次库仑效率低和无充放电平台的问题(从极化机理来说,很难解决);新型Si,Sn复合负极材料已经得到广泛的研究,但如果首次库仑效率能够进一步提高,将具有很大的发展前景;负极SEI膜形成将成为未来提高负极材料和电池性能的研究热点。

  对于万能材料石墨烯,贺教授表示从功率型电池的角度来讲,该材料目前还很难被应用在动力电池中。

  二、那些值得期待的锂电池品种

  锂电池领域其实不乏“明星级别”的存在,全固态锂电池和锂-空气电池便是其中的佼佼者。

  1、全固态锂电池

  “下一代锂电池应是全固态锂电池,”贺教授在“OFweek2015中国锂电技术产业研讨会”上引用中国工程院陈立泉院士的话说到,“如果现在还不布局全固态锂电池,将会错失发展时机。锂硫、锂空电池成为研究热点,但其产业化难度较高。其实如果业内将全固态锂电池问题攻克了,再去做锂硫、锂空电池,相关技术难题会迎刃而解。”

  全固态锂电池是一种使用固体电极和固体电解液的锂电池。固态电池一般功率密度较低,能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高,所以它是电动汽车很理想的电池。

  除安全性较传统锂电池优越外,全固态锂电池还有一个很大的优势,就是充放电循环寿命很长,最长可达45000次,并保存95%的初始容量,这点可让其它种类电池望尘莫及。

  2、锂-空气电池

  锂-空气电池的优势在于其巨大的理论储能能力,它是迄今为止,能量密度最大的储能器件,和汽油相当。

  按重量计算,它是如今广泛使用的传统锂电池的10倍。一块锂空气电池可使汽车轻松行驶350英里以上,不需消耗汽油,并且相比于传统电池体积更小也更便宜,不过很难使得电池容量接近理论值。

  众所周知锂-空气电池两个最大的问题是效率低以及不能多次充放电。当锂离子和氧气发生反应生成锂氧化物时,锂空气电池产生电流。而锂-空气电池的充电过程则涉及到该反应的逆反应--锂氧原子间的化学键断裂,并且释放氧气。致命问题在于生成的锂氧化物会覆盖在电池电极上,从而隔绝了电极与催化剂的接触,进而减缓反应进程。

  如此说来,全固态锂电池比锂-空气电池商用的时间可能要早得多。

  贺教授认为针对存在的问题,锂空电池未来的研究方向如下:

  1)继续研发更加稳定的电解液体系,减少因电解液分解导致的副产物积累;同时,电解液添加剂将成为稳定体系、提高性能的有效方法。

  2)继续深入理解锂空气电池的反应机理,这对于如何选择电解液体系,正/负极材料都有很好的指导作用。

  3)研究、改善锂空气电池正极材料,进一步降低过电压平台,提高充放电效率,这是锂空气电池推向市场化应用的一个重要因素。

  4)研究新的锂空气电池的负极材料,提高电池的安全稳定性。

  三、关于锂电池的安全性:BMS

  对于锂电池消费者来说,考虑的第一要素永远是安全性,这意味着企业需要拥有性能优越的电源管理系统(Battery Management System,BMS)。

  下表为国内外主流 BMS供应商的技术参数,代表着BMS的发展动态。

新贵铝电池现身 锂电池未来走向何方?

  在电动汽车领域,我们以特斯拉为例谈谈BMS。

  特斯拉将几千节18650电池串联起来组成了电动汽车的能量来源,如此做法确实获得了惊人的动力来源,但是如何管理才能平衡安全性和可靠性的问题?特斯拉将服务器集群分级管理的体系,运用在18650电池串联管理上。 

  BMS设计了三级电源管理系统:分别是370个电池组成一个电池砖,每两个电池砖组成一个电池片,总共有7个电池片分布在互相隔离的不同区域,从而组成整个电池模组。每一级都有相应地保证监控电池运行状态、调节温度、防短路/防外力冲击的措施。整个BMS系统在编程管理锂离子电池的电子系统、使用特殊的防护材料、精巧和低成本的安全结构设计上,都有自己非常独到和成功的地方。

  依靠BMS系统,Tesla Model S在获得几千节18650电池的强大能量来源的同时,整车还获得了较高的安全性和可靠性。Tesla的安全设计让电池组在受到严重撞击破坏后给予车主5分钟的时间离开车子,起火只会集中在车身前底部,不会整车起火燃烧。这也是迄今为止,特斯拉电动汽车起火案例虽有,却不曾有人员伤亡的原因。

  四、锂电池的未来

  目前,锂离子电池在3C消费电子产品、电动交通工具、工业&电力储能等下游产业有着十分广阔的市场,TÜV南德意志集团电池产品部技术经理朱静博士在“OFweek2015中国锂电技术产业研讨会”上引用数据称,2014年我国锂离子电池市场规模达715亿元,同比增长21.1%。

  在新能源汽车领域,2014年我国新能源汽车动力锂电池产业规模达100亿元。随着新能源汽车的持续发展,预计2024年,动力锂电池产业规模将达1615亿元,我国将迎来锂电池的10年黄金发展时期,锂电池全产业链都将获得利好。

  而铝离子电池目前还在实验室发酵阶段,尚未得到实际应用。虽然国内外媒体对该电池一致持乐观态度,但未来还远,电池的世界还存在许多的可能性,比如钠电池,比如镁电池……

  一言概之,笔者认为锂电池在十年内很难被取代。无论怎样,科技日新月异,我们寄望电池界能有颠覆性的事件发生,掀起续航持久战!

 

责任编辑:Angela
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