功率、能量密度、安全性…這些鋰電池難題怎么破？

發(fā)布時間 | 2019-05-05 17:59 分類 | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 4113

石墨磷酸鐵鋰

導(dǎo)讀：為了減輕全球碳排放，不少人都期待著鋰電池能夠更經(jīng)濟(jì)、持續(xù)、安全。但事實(shí)上受到物理原理的限制，電池本身的性能很難取得突破——需要提一下的是，性能并不僅僅指能量密度，同時也包含了功率、循...

為了減輕全球碳排放，不少人都期待著鋰電池能夠更經(jīng)濟(jì)、持續(xù)、安全。但事實(shí)上受到物理原理的限制，電池本身的性能很難取得突破——需要提一下的是，性能并不僅僅指能量密度，同時也包含了功率、循環(huán)次數(shù)、安全性等等。因此電池想要獲得認(rèn)可及重用，這些都是需要改進(jìn)的地方。

首先來看一下不同正極材料的測試統(tǒng)計圖，直觀地了解它們對電池造成的影響。藍(lán)色區(qū)域表示所有測試結(jié)果中的最高值，而黑色不規(guī)則圈則代表該類正極材料的測試結(jié)果。

左：鈷酸鋰右：鎳鈷錳酸鋰（NMC)

左：錳酸鋰中：磷酸鐵鋰右：鎳鈷鋁酸鋰（NCA）

可以看出，每種正極材料都有自己比較擅長的地方，這決定了它們更適用于什么領(lǐng)域。但是即便如此，對于更富挑戰(zhàn)的應(yīng)用來說，它們之中的佼佼者一樣還是會有所不足，而這些就是科學(xué)家們想要取得突破的方向。

一、功率

“Energy”代表“能量”，“Power”則代表“能量的釋放速度”也就是“功率”。功率對于電池的影響，直觀一點(diǎn)說就像龜兔賽跑里的兔子，加速快，可以瞬間提供很高的電流，保證汽車加速性能好。

若你給一臺工作電流較大的設(shè)備配上小功率電池，那這臺設(shè)備只能罷工了，這就是為什么鋰電池到目前為止都無法用于飛機(jī)動力的原因，因?yàn)轱w機(jī)飛行需要動力源在非常短的時間內(nèi)釋放足夠大的能量。結(jié)論很直接，提高電池的功率性能確實(shí)可以增大電池的應(yīng)用范圍，但實(shí)現(xiàn)起來卻沒那么容易。

怎么做？

鋰電池在工作時，鋰離子會在正極負(fù)極之間來回移動工作，而從本質(zhì)上講，電池的功率是由處理速度的快慢決定的，但如果想加快這個過程，電極層就會容易受損。正因如此，手機(jī)、筆記本、電動汽車使用時間越長，電池壽命就越短，每一次充電放電，都會讓電極變得更脆弱。

科研人員在這一難關(guān)上，提出了一種構(gòu)想：用結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固的物質(zhì)替代電極層。例如，瑞士電池公司Leclanché正在開發(fā)一種技術(shù)，它以擁有橄欖石型結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰（LFP）為正極，以擁有尖晶石型結(jié)構(gòu)的鋰鈦氧化物（LTO）為負(fù)極來制作電池，使得鋰離子流動效率更高。目前這種電池已被裝入無人叉車?yán)锸褂茫恍枰?/span>9分鐘就能充滿100%的電。

二、能量密度

能量密度這一點(diǎn)應(yīng)該是電池領(lǐng)域中被討論得最多的了。畢竟電池充電時間長不會造成很直接的危害，但是汽車跑到一半突然罷工了才最是要命。

正極

在商用材料中，能量密度最高的陰極是NMC 811。不過這種電極仍然有不完美的地方，譬如它的充放電循環(huán)次數(shù)相對較少。不過專家預(yù)測在未來5年內(nèi)這個問題有望得到解決，而且電池能量密度還能提高10%甚至更多。

負(fù)極

相比正極材料，負(fù)極材料才是如今行業(yè)研究人員最看好的方向。便宜又可靠的石墨仍然是最受歡迎的負(fù)極材料，但是它的潛力似乎已經(jīng)被挖掘盡了，現(xiàn)在“硅”這種從理論上講吸收鋰離子能力更佳的材料才是人們關(guān)注的重點(diǎn)。

不過完全用硅來制造負(fù)極難度極大，因?yàn)楫?dāng)石墨吸收鋰離子時，體積不會有太大變化，但如果是硅負(fù)極在相同的條件下會膨脹到原來的四倍，而且還會破壞硅負(fù)極的“固體電解質(zhì)膜（SEI）”。于是讓它與石墨復(fù)合形成一種新的硅碳負(fù)極材料，被公認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的方式。

硅碳復(fù)合微球負(fù)極材料

不過，硅碳負(fù)極更易實(shí)現(xiàn)，不代表“純硅”方向就無人研究了。Sila Nano公司找到一種方法，它將硅原子封裝在納米殼內(nèi)，里面有許多的“空房間”。這樣一來SEI就會在殼外形成，硅原子膨脹是在內(nèi)部發(fā)生的，每次充放電循環(huán)時不會破壞SEI，Sila Nano曾說該技術(shù)最快 2020 年就會用于設(shè)備。

三、安全性能

前段時間的電動汽車自燃、爆炸事故頻頻發(fā)生，搞到人人自危，深怕遭受池魚之殃。無論如何，安全問題總是要重視的，但當(dāng)你想把更多的能量塞進(jìn)電池里時，就很難保證里面能穩(wěn)如泰山。

鋰離子電池之所以存在起火隱患，因?yàn)樗鼈兇蠖喽加?/span>更易于搬運(yùn)離子的易燃液體作為電解質(zhì)。有一種解決辦法就是使用具備不可燃燒性的固態(tài)電解質(zhì)，不過它的問題在于固固之間無潤濕性，界面接觸電阻嚴(yán)重影響了離子的傳輸。目前固體電解質(zhì)的研究主要集中在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。

表：三類固體電解質(zhì)主要體系與性能

聚合物：在高溫條件下，聚合物擁有很高的離子電導(dǎo)率，容易成膜，最先實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，目前應(yīng)用較為成熟的是PEO基聚合物電解質(zhì)。雖然聚合物固態(tài)電池具有安全性高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但是由于它們只能在較高的溫度下工作，因此需要專門的熱管理系統(tǒng)，成本較高。目前美國 SEEO和法國 Bollor都在用高溫聚合物作為電解質(zhì)開發(fā)新固態(tài)電池。

氧化物：氧化物固體電解質(zhì)按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩類。晶態(tài)電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性高、安全性好，但其低室溫電導(dǎo)率是主要障礙，只有部分樣品可以在50℃下工作，主要的改善方法是元素替換和異價元素?fù)诫s，目前尚未有量產(chǎn)和大容量電池的報道；非晶態(tài)電解質(zhì)方面，LiPON是全固態(tài)薄膜電池的標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)材料，并且已經(jīng)得到了商業(yè)化應(yīng)用，主要研發(fā)公司機(jī)構(gòu)為美國Sakti3公司。

柔性薄膜全固態(tài)鋰二次電池

硫化物：硫化物電解質(zhì)電導(dǎo)率最高，被認(rèn)為是未來的主要方向。主要包括 thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS、Li₂S-P₂S₅、Li₂S-SiS₂、Li₂S-B₂S₃等，室溫離子電導(dǎo)率可以達(dá)到10^-3~10^-2 S/cm，接近甚至超過有機(jī)電解液，同時具有熱穩(wěn)定高、安全性能好、電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬的特點(diǎn)，在高功率以及高低溫固態(tài)電池方面優(yōu)勢突出，目前日本豐田是主要的開發(fā)機(jī)構(gòu)。