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噱头还是黑科技?2016十大电池前瞻技术盘点

2017-01-09 [责任编辑:wenwei]
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【导读】华为宣布即将投产新研发出的石墨烯锂电池,充电速度比普通手机快10倍;董小姐声称用了钛酸锂电池,雾霾天气将会减少一半......这些电池前沿技术在过去的一年被炒的火热,各种媒体报道铺天盖地,到底是噱头还是黑科技? 是否真的有希望取代锂离子电池?别着急,且看下文,老司机带你看懂十大电池黑科技,妈妈再也不用担心我们被骗了!
 
石墨烯电池
 
什么是石墨烯电池?严格定义的石墨烯是由碳原子组成的单层石墨,是只有一个碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,具有非常好的导热性、电导性、透光性,而且强度高、超轻薄、比表面积超大。
 
广义的石墨烯包括双层石墨烯、多层石墨烯、3D石墨烯、石墨烯氧化物、量子点石墨烯等。因微观构造和表面官能团的不同,其性质也有很大差异。市场上多数石墨烯产品都是按照此类划分,为多层石墨结构。
 
石墨烯产品在电池中的应用,在理论上有许多设想和研究方向,比如石墨烯导电浆料添加至正极,涂于或直接用作隔膜,用作或包裹负极材料等,以磷酸铁锂电池为例,具体地展示了石墨烯在电池产品中的应用场景。市场上习惯把运用了石墨烯材料的电池概称为石墨烯电池,而不特指用作负极的电池,不是严格意义上的石墨烯电池。
 
噱头还是黑科技?2016十大电池前瞻技术盘点
石墨烯产品在电池中的应用图解
 
石墨烯粉末应用于电池领域主要有四大应用:1)正负极导电添加剂,可提升充电速度。2)石墨烯复合电极材料,如硅碳复合负极材料或包覆磷酸铁锂,能够提升电池容量。3)石墨烯功能涂层,降低电池内阻,提升电池寿命。4)石墨烯直接用作负极,理论比容量是当前石墨负极的两倍。
 
石墨烯与新型负极材料的结合,主要是利用石墨烯片层柔韧性来缓冲这些高容量电极材料在循环过程中的体积膨胀,同时考虑石墨烯优异的导电性能可以改善材料颗粒间的电接触降低极化,这些效用均可有效改善复合材料的电化学性能。然而,运用常规的碳材料复合技术和工艺,同样能够取得类似甚至更好的电化学性能。比如硅碳复合负极材料,相比于普通的干法复合工艺,复合石墨烯并没有明显改善材料的电化学性能。因此,石墨烯粉体材料在负极电极上的应用前景尚不明朗,石墨烯用作硅碳负极的包覆材料或许前景更为光明。
 
锂硫电池
 
锂硫电池理论能量密度高达2600Wh/kg-1,是未来最具应用前景的新型二次电池之一。但其充放电过程中的中间产物在电解液中具有一定的溶解性,易扩散到负极,并与锂金属反应,造成正极活性物质损失,并腐蚀锂负极,严重影响了电池的循环稳定性,成为制约其商业化应用最关键问题。该工作借鉴了铁电材料与光催化领域的最新研究进展,简单地将铁电材料BaTiO3作为添加剂加入到正极浆料之中,利用纳米BaTiO3自发极化特性吸附同样为极性的中间产物,显著提升锂硫电池的循环稳定性。比其他思路,该方法操作简单,可无缝衔接到目前锂电池电极制造工艺之中,适合工业化生产。
 
无钴高电压电池
 
Nano one公司宣布成功研制无钴高电压锂电池阴极材料——高电压尖晶石。该材料只含锂、锰、镍而不含钴元素,与已商业化的含钴电池材料相比,具有输出电压高,寿命长,安全性高,电池容量和放电功率大的特点,同时降低了成本、环保和供应链的风险压力。高电压电池材料重量轻、体积小和成本低的优势将在未来电动汽车和数码产品中发挥重大作用。
 
噱头还是黑科技?2016十大电池前瞻技术盘点
 
锂空气电池
 
锂空气电池的基本化学原理十分简单。这种电池通过锂和氧结合成过氧化锂实现放电,再通过施加电流逆转这一过程而完成充电。放电时,从负极出发的锂离子在正极与空气中的氧气反应,产生一种叫过氧化锂的固体产物,填充于碳电极的孔隙中。充电时,化学过程逆转,过氧化锂被分解释放氧气。
 
锂空气电池的原型其实在很早之前就已经被成功制造了出来,该电池的蓄电能力理论上是目前市场上锂离子电池的10倍,而由于锂金属在化学上具有极其不稳定性,实际应用时存在多个重大缺陷。和目前的可充电电池中盛行的锂离子技术相比,锂空气电池理论上可存储的能量要多得多。理论上这样的能量密度可使电动车续航能力接近传统汽油汽车,而且锂空气电池的成本和重量只有现在市面上销售的电动汽车所使用的锂离子电池的1/5。
 
剑桥实验室开发出的锂空气电池模型蓄电能力约为3000瓦时/千克,是现有锂离子电池的约8倍,可循环充放电2000次左右,首次循环充放电效率高达93%,即充入电池中93%的能量在放电时都能被使用。但是至少还需10年的工作才能将该电池变为可用于汽车和电网蓄电的商业电池。
 
固态锂电池
 
固态锂电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池。由于固态锂电池的功率重量比较高,所以它是电动汽车很理想的电池。它的工作原理与液态电解质锂离子电池的原理相通。在构造上,全固态锂电池比传统锂离子电池要简单,固体电解质除了传导锂离子,也充当隔膜的角色。因此,在全固态锂电池中,电解液、电解质盐、隔膜与黏接剂聚偏氟乙烯等都不需要使用,大大简化电池的构建步骤。
 
2016年,中科院宁波材料技术与工程研究所和物理所共同合作研发出一款全固态锂离子电池。使用Co9S8-Li7P3S11作为电解质(与液态电解液的电导率相当),Li7P3S11-SuperP作为正极,金属锂作为负极,也就是用石墨做负极,用硫化物复合电解质,为无机电解质。
 
该款电池用钴酸锂做正极,4Ah的电池,这种电池的性能同样非常优异,它的能量密度是240瓦时/公斤,常温循环500次,容量还有88%多。通过了一系列针刺、过充、短路、强制放电、高温循环的实验。
 
不燃烧电池
 
锂离子电池在发生热失控时,放热量最多的是电解液,因此不燃烧电解液是保证电池不燃烧所要解决的最重要问题。微宏历时8年研发出了不燃烧电池技术,主要从隔膜耐高温、电解液不燃烧的主动防御,与STL智能热控流体技术的被动防御两个层面解决锂离子电池的安全困局。
 
噱头还是黑科技?2016十大电池前瞻技术盘点
 
与普通的PE隔膜相比,耐高温隔膜熔点更高,可以保证电池即便在300摄氏度的高温下也不会发生收缩,防范电池内部短路,从而避免热失控。在解决了锂离子电池内部的电解液以及隔膜的问题,相当于为不燃烧电池主动设立了防御措施。
 
STL智能热控流体技术是指将电池组浸没在液体里,利用绝缘导热液体作为绝缘、阻燃、导热性能俱佳的材料,能够在电池组内部发生细微内短路的情况下,快速隔绝热失控点,同时利用液体降低热失控点的温度,最大程度地降 低了电池组安全风险。STL除了安全以外,也能够均衡电池组内部温度差异、并利用外部循环实现更好的温度控制,同时即便电池组漏液,也能及时通过液体检测发现,安全更有保障。
 
不燃烧电解液与耐高温隔膜两个主动的防御措施,配合STL智能热控流体这一被动防御措施,最终实现了电池系统级别的不燃烧、高安全与高性能。
 
氢燃料电池
 
氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是通过氢气与空气中的氧气进行非燃烧的氧化还原反应,通过催化剂实现电子与离子的分离,进而产生电流,推动汽车电机的运转。质子交换膜燃料电池是最常见的燃料电池,因此氢离子可直接穿过质子交换膜到达阴极,而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。
 
目前,世界上仅有3款实现量产的氢燃料电池车,分别为丰田Mirai、本田Clarity和现代ix35/途胜Fuel Cell氢燃料电池车。
 
在多家欧洲车企加入氢燃料电池车的研发行列后,预测在未来十年左右的时间里迎来至少14款全新的氢燃料电池车型。由于一座加氢站大约2000万元的建设费用,加氢站的建设将是一大挑战。
 
燃料电池汽车,不改变用户驾驶习惯,解决了锂电池续航里程焦虑和快速补充能源的问题,在低温启动、循环寿命与回收技术上也接近内燃机的性能,被认为是下一代能源技术。根据国际能源署的展望,美国、欧洲、日本为了实现2摄氏度的温控目标,2050年燃料电池乘用车保有量将达1亿台,占比约30%。目前成本、加氢站、氢气来源是横在燃料电池面前的三座大山,需要迈过。预计市场加速向上拐点将于2020-2025年出现。
 
铝—石墨双离子电池
 
铝—石墨双离子电池,是一种全新的高效、低成本储能电池。这种新型电池,用石墨取代锂电池里的锂化合物,作为正极材料,用铝箔作为负极材料和负极集流体。电解液则由常规锂盐和碳酸酯类有机溶剂组成,是由中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员及其团队研发的。
 
噱头还是黑科技?2016十大电池前瞻技术盘点
 
该新型电池在充电过程中,正极石墨发生阴离子插层反应,而铝负极发生铝-锂合金化反应,放电过程则相反。这种新型反应机理,不仅可以显著提高电池的工作电压(3.8-4.6V),同时大幅降低电池的质量、体积、及制造成本,从而全面提升全电池的能量密度(~220 Wh/kg)。
 
据悉,500kg的铝-石墨电池的续航里程可达到约550公里,而同等重量的普通电动汽车电池,续航里程最多只有400多公里。新型电池与传统锂电技术相比,铝-石墨电池可将生产成本降低约40%-50%,能量密度提高至少1.3-2.0倍。若该电池技术能够成熟,将会对目前动力电池格局造成有力冲击。
 
钛酸锂电池
 
得到了董小姐力挺,钛酸锂电池可谓是出尽风头。钛酸锂电池未来是否会成为电池的主流也成为时下争议的焦点。那么钛酸锂电池到底什么来路又有何能耐呢?
 
钛酸锂电池是一种以钛酸锂为负极的可与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成2.4V或1.9V的锂离子二次电池。钛酸锂电池可以实现6分钟快充放、循环次数可达3万次以上,这在使用与经济性上明显优于市场上常见的锂电池。钛酸锂电池在安全性能、充放电以及循环寿命等方面的显著优势,直指当今市面上其它类型动力电池的痛点。缺点在于能量密度低、胀气、价格高等,因此钛酸锂电池在业内的前景褒贬不一。
 
2016年工信部公布的285-291批次《道路机动车辆生产企业及产品公告》中有52款车型搭载了钛酸锂电池,当前搭载的车型以纯电动客车为主,部分乘用车企也在尝试将钛酸锂电池用于乘用车。三元锂电池、磷酸铁锂电池。未来动力电池市场,钛酸锂电池或将与三元锂电池、磷酸铁锂电池形成三足鼎立态势。
 
锂陶瓷电池
 
辉能科技研发出锂陶瓷电池,包括FLCB软板锂陶瓷电池、PLCB软包锂陶瓷电池及ELCB高体积能量密度锂陶瓷电池三款,除了ELCB系列以外,其余两款目前均已进入量产阶段。
 
FLCB软板锂陶瓷电池是世界上首款基于FPC软板基材的锂电池,不仅拥有极佳的动态弯曲与卷曲能力,而且厚度仅仅只有0.38mm。电池采用了不可燃的固态陶瓷电解质,因此其在受到撞击、穿刺、水浸或剪切等物理破坏时,也不会发生漏液、起火甚至是爆炸的情况,安全性能非常高。 PLCB软包锂陶瓷电池采用铝塑膜进行封装,因此容量上要比FLCB软板锂陶瓷电池大,而且与后者相同,PLCB软包锂陶瓷电池在受到物理伤害时也不会产生任何危险情况。ELCB高体积能量密度锂陶瓷电池,拥有高达810Wh/L的特色,电容量达到了目前市售锂电池的1.2~1.5倍,同时其他特性与前两款产品保持一致。
 
虽然目前FLCB、PLCB等技术已经相当成熟,而且也有不少产品采用这类技术如HTC One Max的电池皮套等,但由于产能问题,导致这类电池产品目前还无法出现在手机等设备上。
 
 
 
 
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关键字:石墨烯电池 钛酸锂电池 电池前沿技术 
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