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汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

2018-07-17 15:01
史晨星
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4. 2025 年富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池实现 400 Wh/Kg

技术原理

富锂锰基固溶体正极材料的化学式为 xLi2MnO3·(1-x)LiMO2,其中 M 为过渡金属Mn(锰)、Ni(镍)、Co(钴)、Ni-Mn(镍-锰)等,其比容量高达 300 mAh/g,且热稳定性高,远高于目前三元的 200 mAh/g。

全固态电解质采用硫化物、氧化物、聚合物等固态电解质替代当前有机电解液和隔膜,由于不存在易燃的液态电解液,安全性能得以大幅提升,可提升电压平台,内部串联可提高系统能量密度。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

优势

高比容量:富锂材料比容量高达 300 mAh/g,且热稳定性高,远高于目前三元的 200 mAh/g;

成本低:锰元素价格远低于三元中的钴、镍元素;

高电压:固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口,有可能达到 5 V,适应于高电压型电极材料;

安全性高:液态电解质易燃易爆,锂枝晶容易刺破隔膜,引起电池短路,固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,克服了锂枝晶现象。

技术难点

首次库伦效率低:首次使用的过程中为了发挥出富锂材料的高容量,要采用高电压活化,在充电过程中Li2O从正极材料中脱出,大量的金属离子从表面迁移至体相中占据Li+和O2-留下的空位,导致晶格中空位消失,材料结构破坏,以至放电过程中Li+嵌锂不能正常进入晶格中,从而造成较高的不可逆容量。

循环性能差:富锂材料在循环过程中还存在着层状结构向尖晶石结构转变的趋势,这也导致富锂材料的电压平台在循环过程中会持续的下降,容量不断衰减。

固态电解质电导率较低,电极/电解质固固界面问题等。

目前进展

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

富锂材料经过多年的研究,人们对于其电化学反应机理认识逐渐深入,通过材料结构调整、元素掺杂和表面包覆等手段,显著改善了富锂材料的结构和表面稳定性,配合活化制度的研究,目前富锂材料循环稳定性和倍率性能都已经得到极大的提升,预计 2025 年开始规模化应用。

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5. 2030 年燃料/锂硫/空气电池实现 500 Wh/Kg

燃料电池

燃料电池(Fuel cell),是一种通过氧化还原反应将燃料(氢气)转换成电力的装置,技术原理是使用纯氢气与氧气反应,这样在保证电池有较高能量密度的同时,还不会对环境有任何危害,电池反应式:2H2+O2→2H2O

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

燃料电池严格意义上不是电池,类似于传统发动机,只要源源不绝地供给燃料,就可以源源不绝地产生电能,其放电特性是连续进行的,不可以充电。

主要优势

能量转换效率高;

真正清洁无污染;

安静无噪声;

能量密度高,功率输出平稳;

燃料补充方便。

主要问题

成本过高:质子交换膜与铂催化剂成本较高,近几年开发出了新型的无铂催化剂,使得电池成本有了明显的降低,但是仍然没有降到可以进行大规模普及的程度;

配套设施建设成本高:主要是加氢站建设、氢气运输、存储成本较高,存储主要包括高压气态储存、固态氢化物储存、低温液氢储存等方式,运输主要包括车船运输和管道运输等;

氢气制备成本高:现在仍然不能以较低成本的大量制取氢气,现在主要主要包括煤气化制氢、水电解制氢、天然气重整气制氢、甲醇裂解制氢等工艺。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

总体而言,燃料电池汽车正处在由技术研发向商业化推广过渡的阶段,燃料电池汽车的推广,实际上是氢能在汽车产业大规模应用的问题,唯有对整个氢能产业链和汽车产业链进行综合评估和系统规划,方能在实现推广目标的同时真正满足社会的多元需求,预计 2030 年实现规模化替代。

关于燃料电池的详细分析,请持续关注我的个人公众号。

锂硫电池

技术原理:单质硫完全得电子后的克容量高达 1675 mAh/g,以金属锂做电极的能量密度高达 3860 mAh/g,将二者结合:正极为硫单质、负极为金属锂,就形成了锂硫电池。其充放电进行的是金属锂与硫的氧化与还原反应。

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两大优势

能量密度极高:锂的理论比容量为3860mAh/g,硫的理论容量是1673 mAh/g,当硫与锂完全反应生成硫化锂(Li2S)时,对应锂硫电池的理论质量比能量为2600 Wh/kg;

成本低:硫在全球储量颇丰,因而硫锂电池相对于锂离子电池而言有着很高的成本优势。

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主要问题

穿梭效应:充放电过程中产生的中间产物多硫化锂可溶解于电解液,到达锂负极以化学方式还原,并形成低价态化合物,部分低价化合物能够再次回到硫正极,并被再一次氧化,多硫化物在正负极之间来回穿梭,在循环期间降低降低库伦效率使电池容量迅速衰减,在静置期间导致严重自放电。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

目前锂硫电池产业化研发尚处于起步阶段,除电池正极材料的比容量和稳定性需要进一步提高外,电池安全性等关键问题也亟待解决,预计在 2030 年可大规模商业化。

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锂/铝空气电池

技术原理:以纯氧气为正极,以金属锂/铝为负极,放电及充电时分别发生金属锂的氧化及还原反应,具有高达 11500 Wh/kg 的理论能量密度。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

两大优点

高能量密度;

价格低廉。

问题点

一系列副反应:空气中广泛存在的各种其它成分,除了惰性气体,几乎都会与锂产生不利的化学反应,金属Li单质比较活泼,如何在空气中使用防止空气中的水与二氧化碳进入电池;

正极蓄积固体反应生成物:阻隔了电解液与空气的接触,导致停止放电等问题;

催化剂问题:氧气在空气电极的还原非常缓慢,为降低正极反应过程的电化学极化,可添加催化剂,目前的催化剂主要为酞靑钴、铂金,价格比较昂贵;

电解质材料:电解质容易挥发从而影响离子电导率、氧溶解性;

金属锂负极:也就是业内一直研究的锂枝晶问题。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

锂/铝空气电池从概念提出到现在已有二十多年的历史,但目前的研究工作依旧主要集中于高校及少数企业,副反应的抑制及高昂材料成本的控制实在过于勉为其难,预计 2030 年能实现规模化量产。

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