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锂电池:创造一个可充电的世界
日期:2022.09.09 资讯来源:河北新闻网 浏览人次:6867
在武安市银隆新能源产业园,技术人员在给一批新能源纯电动大巴做投放市场前的最后测试。

近日,2022新能源汽车大会在北京召开,多项代表前沿趋势的新能源汽车领域创新成果悉数亮相。环保、节能、不限行……尽管新能源汽车具备如此多的优点,但我们也常常看到“高速上新能源车突然电量不足,无法坚持到下个服务区”“多车等待一个充电桩,排队4小时充电1小时”的新闻。

“充电桩数量少”“充电时间长”“续航里程短”是新能源车主抱怨最多的三个点,也是长期制约新能源车发展的“三座大山”。如何翻越这“三座大山”?电池,成为科学研究和应用市场普遍关注的焦点。

理想的锂电池跑得远、充电快、更安全

在科技高速发展的今日,锂电池早已走进了千家万户,在电动汽车领域,也成为市场占比最高的首选能源。

2019年10月,约翰·古迪纳夫等3位研究锂离子电池的科学家荣获诺贝尔化学奖时,颁奖词这样描述:他们创造了一个可充电的世界。

当你把手机放下,插上充电器,等待它“满血复活”的时候,手机操作系统终可得到片刻宁静与休憩。但在微微发热的机身里,一场悄无声息的“运动”正在展开。

“‘运动’的主体是锂离子,‘家’住电池正极,它们就像一群调皮的孩子,从‘家’里‘溜’出来,一头‘扎’进电解液,‘游’过隔膜中的小缝隙,顺流而下来到负极。”河北科技大学材料学院教授王波说,负极是它们的目的地,闯关成功的它们结交了新朋友,积攒了大量的能量,这便完成了充电过程。到达负极的锂离子越多,储存的电量则越足。当拔下充电器的那一刻,锂离子知道要回“家”了,它们与新朋友告别,原路返回,回到“家”时体力殆尽,这便是电池释放电能的过程。

王波介绍,概括而言,锂离子充当了电能的“搬运工”,周而复始地从正极至负极再至正极来回移动,在正、负极活性材料中进行脱嵌,将化学能和电能相互转换,从而实现了能量的存储与释放。

理想中,能够应用于新能源汽车的电池应具备这样三个特点:第一,容量高,保证汽车跑得远;第二,充电快,保证等待时间短;第三,稳定性强,保证上路更安全。

如此一来,科学家研究的目标就很明确——研发新一代“大容量”“高倍率”“长循环”的电池。

自1991年锂离子电池商业化以来,作为锂离子电池的核心组件,科学家们在锂离子电池的电极材料方面展开了大量的研究工作。

据介绍,无论正极材料还是负极材料,理想的电极材料都应该具备良好的脱锂嵌锂可逆性,较高的质量比容量,平稳的氧化还原电位平台,较高的电子电导率、离子电导率与锂离子扩散系数和良好的稳定性等。

“正极材料与负极材料的区别在于锂离子嵌入的电位高低,嵌入电位较高者为正极材料,嵌入电位低的为负极材料。”王波介绍,正极材料是锂电池的核心材料,决定着电池的能量密度、电压、使用寿命等多个核心性能,同时也是锂电池材料中成本最高的部分,占锂电池电芯总成本约为40%。

最早商业化的正极材料是钴酸锂,它同时也是历史最久最成熟的锂离子电池正极材料,至今都有着非常广泛的应用。

然而钴酸锂不是万能的。“钴酸锂体系虽然能量密度高、比容量大,循环寿命和安全性较为可观,但是稳定性稍显不足,且在高电压工况条件下电池容量衰减较严重。”王波介绍。

随后,科研人员又开发出了锰酸锂体系。该体系由于锂离子脱嵌前后结构的稳定性、循环性好,锂离子循环后容量衰减缓慢、毒性低,从诞生之初就被认为是电动汽车电池最理想的正极材料,然而该体系的电子导电率较低,极大地影响了电池的整体性能,逐渐淡出了锂离子电池正极材料的舞台。

由两种金属构成的正极材料无法很好地满足需求,科学家们又将目光投向了三元材料。

“三元材料镍钴锰酸锂是通过钴酸锂的掺杂制备而成,它的安全性比钴酸锂更高。”王波说,三元材料在空气中易氧化形成不稳定的表面,出现结构缺陷和镍锂混排,使材料内阻增加,电化学活性降低,产生晶间裂纹和微应变,形成额外的绝缘膜,增加材料阻抗,使材料性能下降。因此,目前来看,三元材料的成熟商业化仍然有较长的路要走。

让负极材料更“锂”想

锂电池的负极材料,同样是关键。

“负极材料,是用于电池能量的储存和释放,也是电池中重要的组成部分。”王波介绍,它对于电池的首次循环效率、循环寿命、倍率性能和安全性能有着直接影响。

第一代锂离子电池负极材料直接采用金属锂,但在充放电过程中容易产生枝晶。金属锂在长时间充放电后,表面就会长出枝晶。“这就像光滑的平面突然长出千万根刺,可想而知这朵‘带刺的玫瑰’最终可能会戳穿电池,造成短路,甚至引发爆炸。”王波介绍。

第二代负极材料采用锂铝合金解决了金属锂产生枝晶的问题,但材料在循环过程中体积变化大,材料主体易粉化脱落,循环性不佳。

第三代负极材料是采用层状石墨碳材料,该材料在锂脱嵌过程中电位接近锂本身的电位,层状结构有利于锂的嵌入脱出,大大提高了锂离子电池的循环和安全性能。时至今日,大规模商业化的负极材料依然主要是石墨类碳材料和钛酸锂两大类。

尽管石墨类碳材料和钛酸锂在商业化方面比较成熟,但是这两类材料都有一个固有缺陷——理论比容量都较低,这使得当前锂离子电池的能量密度还不能满足动力电池的更高要求。

新型电池路在何方?“负极材料仍然是‘赋能’的关键。”王波说。

前不久,中科院深圳先进技术研究院研究员唐永炳团队研发了一种新型铝基复合负极材料,通过与商用锂离子电池正极材料匹配,针对不同应用场景,成功开发出了新型锰酸锂、磷酸铁锂和三元电池等产品。

“我们开发的电池产品除了耐热抗冻的特性以外,还具有高安全、长续航、快充和低成本的优势。”该团队表示。

在安全性能方面,常规锂电池随着不断使用,内部会产生锂枝晶,既影响充电能力,还可能刺穿隔膜,带来电池短路等隐患。而团队开发的新型铝基负极在低温和过充条件下,能有效缓解锂枝晶的产生,提高了安全性。

在续航性能上,得益于铝基负极材料高的理论容量,该电池能量密度较传统锂离子电池提升了13%—25%,能实现长续航。此外,由于铝基复合负极优异的导电性能,产品还表现出不俗的快充性能,20分钟即可充满电,为半小时充电需求提供了解决方案。

在成本方面,基于铝基复合负极的性能优势,并结合开发的高性能电解液,低温电池产品可以摆脱对昂贵的纳米级正极材料的依赖,将成本降低10%—30%。

目前,该技术已完成了规模化量产。统计数据表明,该技术规模化量产的产品合格率达99.11%,过程各工序合格率均达99%以上。唐永炳团队称,这是我国首款宽温域、低成本、长寿命的电芯产品,有望打破电池产业格局。

锂电池会不断迎来技术变革

随着技术的进步,锂离子电池电动汽车在里程、续航和安全性方面都有了较大的提高。“未来,锂离子电池充放电性能不断提高,其在电动工具领域的应用将更加广泛。”王波说。

作为动力电池的核心原材料,“锂”一直有“白色石油”的美誉,是发展储能和新能源汽车不可或缺的元素,重要地位堪称电气时代的石油。

业内有分析认为,正如石油开启了化石能源时代,锂电池或许将引领新的能源革命。

那么,锂电池真能取代石油吗?王波认为,锂电池之所以被拿来与石油做比较,归根结底在于新能源汽车和传统燃油车的对比。

当前,在全球碳中和浪潮下,新能源汽车行业迎来爆发式增长,部分传统车企相继停产燃油车。根据中汽协数据,今年上半年,新能源汽车销量连续6个月实现同比增长,即使是在国内车市整体下滑的3月—5月,新能源汽车销量依旧分别实现114.1%、44.6%和105.2%的大幅增长。

“环保等因素已经使新能源以及新能源汽车发展趋势不可逆转,主要国家和地区在诸多战略新兴领域的竞争势必愈演愈烈。”在业内专家看来,未来锂电池能够在部分领域取代石油当前的地位。“虽然在化工、制药以及各种轻重工业中,石油的大宗原料地位仍然无可替代,但在交通领域,锂电池作为储能手段,可以将其他绿色电能带入其中。”

随着越来越多国家加速发展新能源汽车,车企及制造商对锂的需求量越来越高,锂资源供应短缺也引发了销售价格不断飙升。自今年初至6月底,国产电池级碳酸锂现货均价从最初的27.8万元/吨涨至46.9万元/吨。

那么,随着锂电池需求的激增,若锂电池供应无法自给自足,未来是否会出现“锂电池危机”呢?

“锂电池未来会不断迎来技术变革。比如钠离子电池、钾离子电池等技术路线成熟后,可能会逐步减少电池对锂元素的需求和用量,甚至取代锂电池。而石油作为化石能源是无法变革的。因此,出现‘锂电池危机’的可能性很小。”王波表示,当前,研究人员仍然在为研发更好的电池不断探索,期望锂电池未来能更好地为人类的美好生活助力。


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