自從純電動(dòng)汽車成為市場(chǎng)的焦點(diǎn)之后，關(guān)于超級(jí)電池的消息就不絕于耳。一次加注只需3分鐘的氫氧燃料電池，一次充電巡航里程高達(dá)1000公里的石墨烯電池，創(chuàng)新電池結(jié)構(gòu)的半固態(tài)鋰電池……似乎那些長(zhǎng)期占據(jù)絕對(duì)市場(chǎng)份額的鉛酸電池、鋰離子電池等傳統(tǒng)電池，分分鐘就要被這些“家族新貴”革了命。

　　

　　然而，事實(shí)真的如新聞里描述的那樣么？從電池研發(fā)的歷史上看，縱使電池行業(yè)發(fā)展了200多年，市場(chǎng)依然被技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最成熟的鉛酸電池和鋰離子電池占據(jù)；特別是近20年，電池每年能量密度穩(wěn)定提高3%至6%，已實(shí)屬不易。一種適用電池的新材料從開(kāi)發(fā)到產(chǎn)業(yè)化，周期十分漫長(zhǎng)，一般需耗時(shí)18至20年。

　　

　　縱觀五花八門的“新型電池”，亮眼的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)無(wú)法代表產(chǎn)業(yè)化能力，單一指標(biāo)優(yōu)勢(shì)也不能以偏概全，雖然人們都急盼著能夠盡快發(fā)生電池革命，但可能還需要經(jīng)歷更長(zhǎng)時(shí)間的等待。

　　

　　半固態(tài)鋰電池：

　　

　　結(jié)構(gòu)上的改變

　　

　　日前，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員蔣業(yè)明與一家名為24M的衍生公司合作，提出一種制造鋰離子電池的不同工藝：半固態(tài)鋰離子電池。該發(fā)明人宣稱不僅有望顯著降低生產(chǎn)成本，還能提高電池性能，使其更易于回收，這給純電動(dòng)汽車性能的提升帶來(lái)了全新想象。消息一出，引發(fā)業(yè)界關(guān)注。

　　

　　實(shí)際上，這種電池的原理并不復(fù)雜，與現(xiàn)有鋰離子電池設(shè)計(jì)類似。電極單元是細(xì)小的鋰化合物粒子與液體電解液、導(dǎo)電添加劑混合形成的泥漿，電池使用兩種泥漿，一種帶正電，一種帶負(fù)電。兩種泥漿分別通過(guò)鋁集電器和銅集電器收集電子，正極室和負(fù)極室之間有一個(gè)能傳遞離子、防止電子傳遞的隔膜。電池的充放電原理和鋰離子電池一樣，通過(guò)鋰離子在正極室與負(fù)極室穿梭通過(guò)隔膜，電子通過(guò)外電路傳輸完成。

　　

　　“相較于蔣業(yè)明之前發(fā)明的半固態(tài)液流電池，半固態(tài)鋰離子電池實(shí)際上更接近于鋰離子電池的設(shè)計(jì)。”中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、電池專家李泓接受采訪時(shí)說(shuō)，現(xiàn)有的鋰離子電池采用多層薄膜電極設(shè)計(jì)，而這種電池采用厚電極，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上得到了簡(jiǎn)化，減少了集流體、隔膜所占的電池總重量的比例，在采用正負(fù)極材料相同的情況下，可以提高電池的能量密度，工藝成本有望降低。

　　

　　半固態(tài)鋰離子電池由于采用厚電極，單層隔膜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速充放電，也意味著在動(dòng)力上沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，這是制約其在電動(dòng)汽車上大規(guī)模推廣的一大缺陷。李泓建議說(shuō)，并不是所有電池應(yīng)用都對(duì)高功率有要求，如果能夠找到合適的應(yīng)用場(chǎng)景，并且在某些技術(shù)指標(biāo)上確實(shí)有超越現(xiàn)有鋰離子電池的地方，那就可以逐漸拓寬它的應(yīng)用領(lǐng)域，比如靜態(tài)儲(chǔ)能領(lǐng)域。

　　

　　但是任何電池的應(yīng)用都需要綜合技術(shù)指標(biāo)滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，目前，24M開(kāi)發(fā)的半固態(tài)厚電極鋰離子電池技術(shù)還需要進(jìn)一步全面評(píng)價(jià)并與現(xiàn)有先進(jìn)的鋰離子電池技術(shù)作對(duì)比。這種電池目前推廣仍存在不少困難，半固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)工藝與現(xiàn)有鋰離子電池的工藝不完全兼容，生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、品質(zhì)控制、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、量產(chǎn)工藝等都得從頭摸索，防止內(nèi)部短路的隔膜等關(guān)鍵材料還需突破。

　　

　　“被市場(chǎng)所接受和在市場(chǎng)上做示范推廣是不一樣的，從目前的情況來(lái)看，該公司的這款電池在能量密度、功率密度、循環(huán)性、成本上都不占優(yōu)勢(shì)，真正走向市場(chǎng)還需要相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。”李泓說(shuō)。

　　

　　全固態(tài)鋰電池：

　　

　　可靠的安全衛(wèi)士

　　

　　電動(dòng)汽車自燃、手機(jī)電池爆炸……隨著鋰離子電池的大規(guī)模民用，關(guān)于電池安全事故的新聞不絕于耳，電池使用的安全問(wèn)題也廣受各方關(guān)注。不久前，日本豐田汽車公司透露，計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商用化。該公司早在2010年就推出了更安全、壽命更長(zhǎng)、功率輸出更優(yōu)的全固態(tài)電池原型器件，希望它能在未來(lái)取代現(xiàn)有鋰離子電池。

　　

　　細(xì)心的消費(fèi)者會(huì)發(fā)現(xiàn)，所有的鋰離子電池都標(biāo)有詳細(xì)的注意事項(xiàng)，乘坐飛機(jī)也有嚴(yán)格的攜帶限制，這是因?yàn)殇囯x子電池內(nèi)帶有的有機(jī)溶劑具有可燃性，有一定安全隱患。如果要徹底保證電池安全，就要把可燃燒的有機(jī)溶劑用更安全的不能燃燒的固體電解質(zhì)替換掉。

　　

　　“固態(tài)鋰電池有可能顯著提高電芯的安全性，是未來(lái)電池技術(shù)的重要方向。”李泓表示，現(xiàn)有的鋰離子電池雖然安全性已經(jīng)很高，但仍會(huì)不斷出現(xiàn)安全事故。全固態(tài)鋰電池沒(méi)有電解液，不易燃燒和爆炸，不會(huì)產(chǎn)生液體泄漏和腐蝕，在高溫下壽命不受影響，不易變形，電壓允許范圍更高。

　　

　　“更重要的是，現(xiàn)有應(yīng)用對(duì)電池能量密度要求越來(lái)越高，在現(xiàn)有技術(shù)下，通常電池容量越大越不安全。所以說(shuō)，全固態(tài)電池是一種革命性技術(shù)，它可以在保證安全性的同時(shí)，提高電池能量密度。”李泓補(bǔ)充說(shuō)。

　　

　　不過(guò)，單純強(qiáng)調(diào)安全性并不能把固態(tài)電池完全推向市場(chǎng)，性能的提升和成本的降低更加關(guān)鍵。“目前固態(tài)電池安全性能更高，但是在其他主要性能上，比如充放電速率上，低溫特性上與采用液體電解質(zhì)的現(xiàn)有鋰離子電池有顯著的差距。這主要是在固體電解質(zhì)中離子傳輸?shù)乃俣容^慢，固體電解質(zhì)和正負(fù)極材料界面的電阻很大，這些問(wèn)題還沒(méi)有很好解決，所以快充的特性暫時(shí)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。”李泓透露，全固態(tài)電池在快充時(shí)更安全，目前在日本學(xué)界的研究里表示其可以快充，但都還在實(shí)驗(yàn)室探索階段，離應(yīng)用較遠(yuǎn)。

 

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