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功率、能量密度、安全性…这些锂电池难题怎么破?
2019年05月05日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:623
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为了减轻全球碳排放,不少人都期待着锂电池能够更经济、持续、安全。但事实上受到物理原理的限制,电池本身的性能很难取得突破——需要提一下的是,性能并不仅仅指能量密度,同时也包含了功率、循环次数、安全性等等。因此电池想要获得认可及重用,这些都是需要改进的地方。

首先来看一下不同正极材料的测试统计图,直观地了解它们对电池造成的影响。蓝色区域表示所有测试结果中的最高值,而黑色不规则圈则代表该类正极材料的测试结果。

 

左:钴酸锂  右:镍钴锰酸锂(NMC)

 

左:锰酸锂  中:磷酸铁锂  右:镍钴铝酸锂(NCA)

可以看出,每种正极材料都有自己比较擅长的地方,这决定了它们更适用于什么领域。但是即便如此,对于更富挑战的应用来说,它们之中的佼佼者一样还是会有所不足,而这些就是科学家们想要取得突破的方向。

一、功率

Energy”代表“能量”,“Power”则代表“能量的释放速度”也就是“功率”。功率对于电池的影响,直观一点说就像龟兔赛跑里的兔子,加速快,可以瞬间提供很高的电流,保证汽车加速性能好。

若你给一台工作电流较大的设备配上小功率电池,那这台设备只能罢工了,这就是为什么锂电池到目前为止都无法用于飞机动力的原因,因为飞机飞行需要动力源在非常短的时间内释放足够大的能量。结论很直接,提高电池的功率性能确实可以增大电池的应用范围,但实现起来却没那么容易。

怎么做?

锂电池在工作时,锂离子会在正极负极之间来回移动工作,而从本质上讲,电池的功率是由处理速度的快慢决定的,但如果想加快这个过程,电极层就会容易受损。正因如此,手机、笔记本、电动汽车使用时间越长,电池寿命就越短,每一次充电放电,都会让电极变得更脆弱。

 

科研人员在这一难关上,提出了一种构想:用结构更坚固的物质替代电极层。例如,瑞士电池公司Leclanché正在开发一种技术,它以拥有橄榄石型结构的磷酸铁锂(LFP)为正极,以拥有尖晶石型结构的锂钛氧化物(LTO)为负极来制作电池,使得锂离子流动效率更高。目前这种电池已被装入无人叉车里使用,只需要9分钟就能充满100%的电。

二、能量密度

能量密度这一点应该是电池领域中被讨论得最多的了。毕竟电池充电时间长不会造成很直接的危害,但是汽车跑到一半突然罢工了才最是要命。

正极

在商用材料中,能量密度最高的阴极是NMC 811。不过这种电极仍然有不完美的地方,譬如它的充放电循环次数相对较少。不过专家预测在未来5年内这个问题有望得到解决,而且 电池能量密度还能提高10%甚至更多。

负极

相比正极材料,负极材料才是如今行业研究人员最看好的方向。便宜又可靠的石墨仍然是最受欢迎的负极材料,但是它的潜力似乎已经被挖掘尽了,现在“硅”这种从理论上讲吸收锂离子能力更佳的材料才是人们关注的重点。

不过完全用硅来制造负极难度极大,因为当石墨吸收锂离子时,体积不会有太大变化,但如果是硅负极在相同的条件下会膨胀到原来的四倍,而且还会破坏硅负极的“固体电解质膜(SEI)”。于是让它与石墨复合形成一种新的硅碳负极材料,被公认为是最有希望实现产业化的方式。

 

硅碳复合微球负极材料

不过,硅碳负极更易实现,不代表“纯硅”方向就无人研究了。Sila Nano公司 找到一种方法,它将硅原子封装在纳米壳内,里面有许多的“空房间”。这样一来SEI就会在壳外形成,硅原子膨胀是在内部发生的,每次充放电循环时不会破坏SEI,Sila Nano曾说该技术最快 2020 年就会用于设备。

三、安全性能

前段时间的电动汽车自燃、爆炸事故频频发生,搞到人人自危,深怕遭受池鱼之殃。无论如何,安全问题总是要重视的,但当你想把更多的能量塞进电池里时,就很难保证里面能稳如泰山。

锂离子电池之所以存在起火隐患,因为它们大多都用更易于搬运离子的易燃液体作为电解质。有一种解决办法就是使用具备不可燃烧性的固态电解质不过它的问题在于固固之间无润湿性,界面接触电阻严重影响了离子的传输。目前固体电解质的研究主要集中在三大类材料:聚合物、氧化物和硫化物。

表:三类固体电解质主要体系与性能


 

聚合物:在高温条件下,聚合物拥有很高的离子电导率,容易成膜,最先实现了小规模商业化生产,目前应用较为成熟的是PEO基聚合物电解质。虽然聚合物固态电池具有安全性高、循环寿命长等优点,但是由于它们只能在较高的温度下工作,因此需要专门的热管理系统,成本较高。目前美国 SEEO法国 Bollor都在用高温聚合物作为电解质开发新固态电池。

氧化物:氧化物固体电解质按照物质结构可以分为晶态和非晶态两类。晶态电解质化学稳定性高、安全性好,但其低室温电导率是主要障碍,只有部分样品可以在50℃下工作,主要的改善方法是元素替换和异价元素掺杂,目前尚未有量产和大容量电池的报道;非晶态电解质方面,LiPON是全固态薄膜电池的标准电解质材料,并且已经得到了商业化应用,主要研发公司机构为美国Sakti3公司。

 

柔性薄膜全固态锂二次电池

硫化物:硫化物电解质电导率最高,被认为是未来的主要方向。主要包括 thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS、Li2S-P2S5Li2S-SiS2Li2S-B2S3等,室温离子电导率可以达到10-3~10-2 S/cm,接近甚至超过有机电解液,同时具有热稳定高、安全性能好、电化学稳定窗口宽的特点,在高功率以及高低温固态电池方面优势突出,目前日本丰田是主要的开发机构。

 

来自丰田的固态电池

结语

随着科技水平的提高,锂电池的进步人人可见,但人们对它在应用上的诟病还是颇多,想要取得大突破也还有众多的难题静待解决。不过既然全世界都在为锂电池的研发而狂热,那么相信这些问题的解决最终也只是时间问题而已。

资料来源:

36氪《电池大突破到底何时到来?三大难题难倒科学家》

史晨星2020准固态,2025全固态:盘点固态电池的破茧成蝶之路》

粉体圈 小榆整理


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