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2016年十大鋰電池技術突破
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鋰電池在我們生活中扮演的角色將越來越重要。從智慧手機到電動汽車再到儲能,處處可見鋰電池的身影。然而,隨著這些行業的發展,人們對這些產品提出了更多的需求,也對鋰電提出了更苛刻的要求。因此,電池技術突破,尤為重要。目前,鋰離子電池能量密度和安全性能亟待提升,鋰硫電池、鋰空氣電池和固態電池都有希望取代鋰離子電池,這三種電池技術,是行業研究的熱門領域。2016年馬上就要走到終點,回顧這一年,OFweek鋰電網精心盤點了電池的十大相關科研成果,供大家參考! 

 
突破一:韓國推出新型防火防爆全固態鋰電池
 
韓國蔚山科技大學(UNIST,能源與化學工程學院)YoonSeokJun教授與首爾國立大學的.SengM.Oh教授牽頭的研發團隊開發出一種全固態鋰電池。開發該電池採用的方法是先將固體電解質熔化,然後將熔化的電解質塗抹在電極上。為了解決粉末狀的固體電解質和電極活性材料之間的接觸不活躍,使得鋰離子更難以移動到電極的問題。該團隊還開發出了一種可以增強固體電解質導電性的材料,甲醇液中添加碘化鋰(LiI)。
 
據該團隊的Jung教授介紹,新開發的固體電解質具有較高的離子導電性、無毒性。而且所採用電池原料和溶劑(甲醇)價格都比較便宜。
 
相比於液態鋰離子來講,全固態鋰電池在迴圈性、安全性、功率衰減、壽命以及能量密度上都有明顯的優勢,而且電壓更高,電池模組和系統設計起來更簡單。
 
目前困擾全固態電池實現產業化主要有兩個問題:一是固態電解質在室溫條件下的離子電導率不高;二是固態電解質與正負極之間介面阻抗比較大。
 
韓國推出的這款新型電池,在固態電解質的離子導電率上取得突破,而且所用的材料都比較便宜,如果技術成熟的化,將加快固態鋰電池投入商用化的進程。
 
突破二:新型雙離子電池技術成本更低能量密度更高
 
中國科學院深圳先進技術研究院唐永炳研究員及其團隊研發出新型高儲能、低體積電池技術。
 
據介紹,唐永炳發明的鋁—石墨雙離子電池,是一種全新的高效、低成本儲能電池。這種新型電池,用石墨取代鋰電池裡的鋰化合物,作為正極材料,用鋁箔作為負極材料和負極集流體。電解液則由常規鋰鹽和碳酸酯類有機溶劑組成。
 
該新型電池在充電過程中,正極石墨發生陰離子插層反應,而鋁負極發生鋁-鋰合金化反應,放電過程則相反。這種新型反應機理,不僅可以顯著提高電池的工作電壓(3.8-4.6V),同時大幅降低電池的品質、體積、及製造成本,從而全面提升全電池的能量密度(~220Wh/kg)。
 
該團隊成員表示,500kg的鋁-石墨電池的續航里程可達到約550公里,而同等重量的普通電動汽車電池,續航里程最多只有400多公里。新型電池與傳統鋰電技術相比,鋁-石墨電池可將生產成本降低約40%-50%,能量密度提高至少1.3-2.0倍。
 
在編輯看來,唐永炳唐研究員及其團隊研發的這種鋁—石墨雙離子電池,從現階段來看具有非常高的應用價值。受“騙補事件”影響,國家對新能源汽車的財政補貼,從明年開始將全面退坡,鋁-石墨電池可將生產成本降低約40%-50%,可將補貼退坡對新能源汽車的負面影響完全消除,甚至還能使新能源汽車的價格進一步降低。而續航提升,可緩解人們對新能源汽車的“續航焦慮”。假如該電池技術能夠及早成熟,或能對現有動力電池格局造成有力的衝擊。
突破三:微宏不燃燒電池技術或解決電動汽車起火難題
 
2016年3月19日,微宏在北京水立方舉辦了“MoreThanSafe|微宏不燃燒電池技術”發佈會。此次發佈的不燃燒電池技術是微宏歷時8年研發的不燃燒電池技術成果。主要從隔膜耐高溫、電解液不燃燒的主動防禦,與STL智慧熱控流體技術的被動防禦兩個層面解決鋰離子電池的安全困局。
 
研究表明,鋰離子電池在發生熱失控時,放熱量最多的是電解液,因此不燃燒電解液是保證電池不燃燒所要解決的最重要問題。在現場,微宏展示了不燃燒電解液確實不會被點燃。在實現電解液不燃燒之後,高性能隔膜也是保證鋰離子電池安全的重要保障。普通鋰離子電池隔膜通常熔點較低,在130攝氏度左右便會收縮,從而導致電池的內部短路,發生熱失控。微宏提出了耐高溫隔膜的思路。與普通的PE隔膜相比,耐高溫隔膜熔點更高,可以保證電池即便在300攝氏度的高溫下也不會發生收縮,防範電池內部短路,從而避免熱失控。在解決了鋰離子電池內部的電解液以及隔膜的問題,相當於為不燃燒電池主動設立了防禦措施。微巨集也還採用浸沒方式的STL智慧熱控流體技術設立了被動防禦措施。
 
STL智慧熱控流體技術是指將電池組浸沒在液體裡,利用絕緣導熱液體作為絕緣、阻燃、導熱性能俱佳的材料,能夠在電池組內部發生細微內短路的情況下,快速隔絕熱失控點,同時利用液體降低熱失控點的溫度,最大程度地降低了電池組安全風險。STL除了安全以外,也能夠均衡電池組內部溫度差異、並利用外部迴圈實現更好的溫度控制,同時即便電池組漏液,也能及時通過液體檢測發現,安全更有保障。
 
不燃燒電解液與耐高溫隔膜兩個主動的防禦措施,配合STL智能熱控流體這一被動防禦措施,最終實現了電池系統級別的不燃燒、高安全與高性能。
 
鋰電池容易起火,是因為其熱穩定性較差,在200℃左右的外界溫度下,就會分解並釋放出氧氣,與電池裡的可燃的電解液、碳材料一起,一點就著。鋰電池一旦著火,產生的熱量會進一步加劇正極的分解,在極短的時間內就會爆燃。
 
電池正常使用過程中並不會達到電池燃燒的條件,當鋰離子電池的發生內短路時,就會使鋰電池熱失控,從而導致鋰電池自燃。不穩定的設計、環境惡劣以及機械性的損傷等這些外因造成的內短路,可以通過電子器件和機械設計進行避免。但是,由鋰電池材料體系及製成工藝等諸多內因造成的的內短路難以控制。
 
微宏不燃燒電池主要從電解液、鋰離子隔膜和熱控流體技術三個方面,另闢蹊徑,直接阻斷燃燒源,最大化避免鋰離子電池的燃燒。
 
突破四:無鈷高電壓電池材料問世可降低電池成本
 
Nanoone公司宣佈成功研製無鈷高電壓鋰電池陰極材料——高電壓尖晶石。該材料只含鋰、錳、鎳而不含鈷元素,與已商業化的含鈷電池材料相比,具有輸出電壓高,壽命長,安全性高,電池容量和放電功率大的特點,同時降低了成本、環保和供應鏈的風險壓力。高電壓電池材料重量輕、體積小和成本低的優勢將在未來電動汽車和數碼產品中發揮重大作用。
 
縱覽市場上的三大電池材料,鈦酸鋰,成本高,能量密度低;磷酸鐵鋰,能量密度偏低,成本偏高,輸出電壓較低;三元材料,不夠安全。稍作對比,就能知道這種新電池材料的價值所在,可以說是完美的解決了現在鋰電池面臨的幾大瓶頸。
 
突破五:新型複合金屬鋰電極材料問世突破商業化瓶頸
 
美國斯坦福大學著名材料學家崔屹與美國前能源部部長、諾貝爾物理獎得主朱棣文組成的研究團隊,最近在金屬鋰電極的實際應用研發方面取得重大突破。
 
金屬鋰具有極高的理論比容量和理想的負極電位。以金屬鋰為負極的二次電池,具有高工作電壓、高能量密度等優勢,使得金屬鋰成為當今能源存儲領域的首選材料。然而金屬鋰與電解液的副反應,迴圈過程中的電極尺寸變化,以及鋰枝晶的形成。前者很大程度上降低了電池的庫倫效率,影響了其電化學性能;後兩者則會給金屬鋰電池帶來嚴重的安全隱患。
 
該研究團隊經過多次嘗試後,他們將目光轉向了納米技術。研究小組對材料表面特殊浸潤性進行深入研究後,首次提出了“親鋰性”這一概念,並利用表面“親鋰化”處理的碳質主體材料,通過建立“親鋰”的介面材料體系,開創性地將金屬鋰融化之後,利用毛細作用吸入碳纖維網路的空隙中,成功製備出含有支撐框架的複合金屬鋰電極。新研究的複合金屬鋰電極在碳酸鹽電解液體系的迴圈過程中具有較小的尺寸變化、極高的比容量和良好的迴圈及倍率性能,其電壓曲線也相對平滑,突破了當前制約金屬鋰電池商業化的主要問題。
 
複合金屬鋰電極由10%體積比的碳纖維和金屬鋰材料組成。碳纖維網路具有良好的導電性,超高的機械強度和電化學穩定性,因此,作為金屬鋰的主體框架材料是絕佳選擇。與之前的相關研究相比,梁正等人將金屬鋰融化,並依據不同材料的浸潤性所提出的“親鋰”“疏鋰”概念,為金屬鋰電極研究提供了新思路,並且對其他領域的研究具有極高的借鑒作用。
 
在這項科研中,編輯認為,相較于合成新型複合金屬鋰電極材料這個成果,它們所提出來的“親鋰”、“疏鋰”概念的成就更大,因為這個概念為金屬鋰電極研究提供了新思路,可能會在未來的科研中開發出更優秀的材料,更多的科研成果。
 
突破六:MIT新型鋰氧電池或解決電動汽車續航“焦慮”
 
由麻省理工學院核科學與工程學院教授李巨領銜,與MIT、阿貢國家實驗室、北京大學等另外幾名成員研究團隊公佈了新研發的鋰氧電池。
 
根據李巨教授介紹,“傳統的鋰空氣電池的工作原理是這樣的:在放電過程中,鋰空氣電池從外界吸收氧氣,並與電池的鋰產生化學反應。在充電過程中,則產生相反的化學反應,氧被重新釋放到空氣中。而新型鋰氧電池,充電與放電過程中,鋰元素與氧氣進行同樣的電化學反應,但整個過程中根本不需要氧元素的氣態變化。氧元素一直以固態形勢存在,並可在三種氧化還原狀態中直接切換,產生三種不同的固體化合物——氧化鋰Li2O、過氧化鋰Li2O2以及超氧化鋰LiO2”。
 
新型電池的奧秘在於創建一個極小的微粒,大約在納米級別,成玻璃狀的微粒可同時包含鋰與氧,並緊緊被包圍在氧化鈷(cobal to xide)的小矩陣裡。因為通常狀態下,納米鋰氧非常不穩定,所以研究人員將它們放入了氧化鈷的矩陣之中。氧化鈷矩陣其實是一種類似海綿狀的物質,每隔幾納米就有一個氣孔。氧化鈷矩陣一方面可以穩定住納米鋰氧,另一方面,還可以充當化學反應的催化劑。
李巨教授將鋰空氣電池和新型鋰氧電池進行對比,鋰空氣電池的一大缺點是電池充電與放電時電壓的不匹配。電池的輸出電壓比充電時的電壓要低1.2伏還要多,這意味著在每一次完整充電過程中,都會產生巨大的能量損失,在充電時,約30%的電量以熱量的形式流失,如果你充電速度過快,它都可以自燃。鋰氧電池電壓損耗情況可以改善5倍以上,從1.2伏減為0.24伏,所以,僅有8%的電能被轉換成了熱量。這意味著汽車可以快速充電,因此電池組發燙的情況會解決,不再構成安全隱患,而且電池的能源效率得到了保障。
 
鋰空氣電池其實是鋰幹氧電池,因為它完全不能處理潮濕以及二氧化碳。所以鋰空氣電池使用的輸入型空氣需要認真處理。新電池完全不需要吸入以及排除氣體,這個困擾鋰空氣電池的問題迎刃而解。
 
此外,新型電池自身存在一種過度充電的保護機制,在過度充電情況下,化學反應可以實現自我約束。一旦過度充電情況發生,化學物質馬上轉變成另外一種形態,從而化學反應中止。在迴圈負荷試驗中,新型電池的實驗室版本完成了120遍充電—放電的迴圈測試,整個過程下來,僅有2%的能量損失,這意味著這種電池或將擁有超長壽命。
 
研究團隊表示,新電池使用的作為液體電解質的碳酸鹽是最便宜的一種。此外,氧化鈷的重量還不到納米鋰氧重量的一半。整體而言,這種新型電池與鋰空氣電池相比,應用更為廣泛、價格更為低廉、使用更為安全。
 
編輯認為,這是一項重大突破,可能會推動氧基電池技術的重大發展。鋰空氣電池,被認為是鋰離子電池的終極形態,而這個新型鋰氧電池更是鋰空氣電池的升級版,更加強大、更加方便、還更加安全。希望這項技術能夠快點成熟,走上市場!
 
突破七:中科院研製出高性能石墨烯鋰電池材料
 
中國科學院合肥物質科學研究院智慧機械研究所劉錦淮和黃行九課題組的副研究員劉金雲等在研製高性能石墨烯鋰離子電池方面取得新成果。
 
劉金雲等通過美國伊利諾大學香檳分校和中科院合肥研究院合作,研製了一種基於三維石墨烯的複合電池材料,具有高的活性材料負載量、短的離子電子傳輸路徑,而且電極材料組裝成電池不需要使用任何粘結劑和導電劑等添加劑,電池具有高容量和優良的迴圈穩定性。
 
研製的三維石墨烯/五氧化二釩電池正極材料,在12分鐘完全充/放電條件下,迴圈2000次後電池容量大於200mAh/g(大量文獻報導小於1000次、容量普遍低於150mAh/g);而且1分鐘充電的容量,達到商用和文獻報導的大於5分鐘的相近容量。
 
此外,該三維石墨烯複合電池材料結構設計還可以應用於鋰離子電池負極材料,比如研製石墨烯/矽複合負極,展現出良好的通用性。
 
從可擕式電子設備到新能源電動汽車,都對高性能鋰離子電池具有迫切需求。作為鋰離子電池的核心,電極活性材料普遍要求具有高容量和能量密度、長期迴圈穩定和安全性。石墨烯鋰離子電池材料研發的突破,有望再度給石墨烯產業的應用和推廣帶來利好。
 
突破八:麻省理工發現新型可導電海綿狀MOF材料推動電池技術發展
 
美國麻省理工學院首次發現了具有導電性的金屬-有機框架化合物MOF材料(metal-organic frameworks),海綿狀微觀結構的新型MOF材料具有極高的儲能密度,有望能夠成為新一代超級電容/電池技術的核心材料。
 
海綿狀的新型MOF材料由於結構特性,具有極高的材料表面積,由此可以製備具極高儲能密度的超級電容器,新型MOF材料被證明可在一定條件下具有導電性。這種具備高度導電性的MOF材料,打開了一個全新的應用類型。
 
該團隊相信,應用該材料製備的超級電容將有更高的儲能密度,有望應用在更廣的範圍內,推動新一代電池技術發展。
 
碳納米管具有極好的中孔性能和導電性,採用碳納米管材料,制得的超級電容器,儲能密度比較高。但是碳納米管材料的製備條件非常嚴苛,且成本高昂。這種海綿狀的新型MOF材料製備的超級電容比碳納米管超級電容氣儲能密度更高,假如成本能夠有所降低的話,那麼它或許會取代碳納米管超級電容器的地位,如果成本也比較高的化,那麼應用的空間肯能會縮小很多。
 
突破九:摻雜碳納米管片新型鋰電池受損後可自我癒合
 
研究人員開發了一種新型鋰離子電池,即使受損後,它也能迅速“再生”,恢復對外供電。新一代電池利用一系列摻有聚合物的碳納米管片,在電池受損時不止會阻止洩露,還使“創傷面”能自我癒合。
 
開發這項技術的研究團隊,利用佩戴在玩偶手臂上的柔性腕帶形狀電池進行了演示。電池受到損傷後,會自己“長好”,恢復供電,就像沒有受到過損傷一樣。研究人員認為自癒合電池可以用於可穿戴設備——尤其是有時可能受損的可穿戴設備。
 
目前,新型電池還處於試驗階段,因此要應用在Fitbit健身手環或Apple Watch等可穿戴設備中還需要一段時間。
 
傳統鋰離子電池雖然可以設計為柔性電池,但是,如果破裂、彎曲或受到過大壓力,它們仍然可能受損。一旦電池受損,整個使用電池的設備就失效了,造成財物損失,另外電池算壞,還有可能造成有毒、帶有腐蝕性或易燃的化學物質洩露,帶來安全隱患。這個可癒合的電池,編輯隱隱有些小激動啊,真是心疼以前扔掉的那些不小心弄壞電池電動玩具,真是可惜啊,沒趕上好時候!
 
突破十:華為石墨烯基高溫鋰離子電池取得重大突破
 
12月1日,華為中央研究院瓦特實驗室宣佈在鋰離子電池領域實現重大研究突破,推出業界首個高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池。實驗結果顯示,以石墨烯為基礎的新型耐高溫技術可以將鋰離子電池上限使用溫度提高10℃,使用壽命是普通鋰離子電池的2倍。
 
華為瓦特實驗室首席科學家李陽興博士指出,石墨烯基高溫鋰離子電池技術突破主要來自三個方面:在電解液中加入特殊添加劑,除去痕量水,避免電解液的高溫分解;電池正極選用改性的大單晶三元材料,提高材料的熱穩定性;同時,採用新型材料石墨烯,可實現鋰離子電池與環境間的高效散熱。
 
據介紹,高溫環境下的充放電測試表明,同等工作參數下,該石墨烯基高溫鋰離子電池的溫升比普通鋰離子電池降低5℃;60°C高溫迴圈2000次,容量保持率仍超過70%;60℃高溫存儲200天,容量損失小於13%。
 
這一研究成果將給通信基站的儲能業務帶來革新。在炎熱地區使用該高溫鋰離子電池的外掛基站工作壽命可達4年以上。石墨烯基鋰離子電池也將助力電動車在高溫環境下持久續航,以及無人機高溫發熱下的安全飛行。
 
編輯認為,在華為的這款新型電池中,石墨烯是用來實現鋰離子電池與環境間高效散熱的,所以華為這個“石墨稀基”有些耐人尋味。但是,石墨烯高導熱的性能是公認的,用來提升散熱性能這是個值得推廣的思路。另外,華為提到的該技術可以用於極端環境地區的通訊基站,也明確了這款電池的優勢是在極端環境下保證儲能-供能穩定,並非無所不能。
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