新技术进步促进电池发展

刘春娜

电池发展到今天，其应用领域和范围都在不断扩大，各种新型电池技术也在不断取得突破：电动汽车制造商正在寻找更便宜、更轻、更持久的电池；电子设备制造商也在寻找更可靠、寿命更长、充电更快的电池；可穿戴和医疗植入式设备的厂商则倾向于更小巧、更长续航时间的电池；可再生能源企业也在寻找能够稳定充放电成千上万次的电池。目前，新型液流电池、固态电池、超级电池、微电池等技术概念层出不穷，促进了电池行业的发展和进步。

在第85届日内瓦车展上，列支敦士登的nanoFLOWCELL带来续航了800公里的QUANTF电动超跑，除了酷炫的外表，其最大亮点就是采用了液流电池作为电动超跑的推动力。新型液流电池除了在价格和行驶里程上具有显著优势外，而且比目前汽车上使用的电池更加安全，更容易融入汽车设计中去。液流电池将电化学蓄电池以及燃料电池的各个方面相结合。液体电解质存在于两个电池仓中并经过电池流通。系统中心有一层隔膜将两个电解质解决方案分隔，但仍能容许电荷流通，从而为动力系统制造动力。该系统的优势之一在于其采用体积较大的电池仓，也就意味着有着更高的能量密度。600V额定电压和50 A额定电流下，该系统能不断输出30 kW的最大功率。相比为当今电动汽车提供动力的锂离子电池技术而言，性能高出4倍，也就是说它的可行驶里程是同等质量传统元件的5倍。QUANTF原型车中搭载了体积为200升的电池仓，存储容量为120kWh。该车在低负载条件下，百公里能耗约为20kWh。公司表示，今后有望将电池仓的体积扩充至800升。车内配备了4台持续功率为120 kW、峰值功率为170kW的电机，可通过扭矩分配实现四驱驾驶，也能作为车内两个超级电容器的备用能量储蓄装置。每个车轮单独峰值扭矩可达到2900Nm。

日本丰田汽车公司计划在2020年实现全固态电池的商用化。该公司早在2010年就推出了更安全、寿命更长、功率输出更优的全固态电池原型，希望它能在未来取代现有锂离子电池。关于电池使用的安全问题一直广受各方关注，这是由于锂离子电池内的有机溶剂具有可燃性，存在安全隐患。如果要彻底保证电池安全，就要把可燃烧的有机溶剂用更安全的不能燃烧的固体电解质替换掉。而固态锂电池有可能显著提高电芯的安全性。全固态锂电池没有电解液，不易燃烧和爆炸，不会产生液体泄漏和腐蚀，在高温下寿命不受影响，不易变形，电压允许范围更高。所以说，全固态电池是一种革命性技术，它可以在保证安全性的同时，提高电池能量密度。不过，单纯强调安全性并不能把固态电池完全推向市场，性能的提升和成本的降低更加关键。目前固态电池安全性能更高，但是在其他主要性能上，比如充放电速率上和低温特性上与采用液体电解质的现有锂离子电池有显著的差距。这主要是在固体电解质中离子传输速度较慢，固体电解质和正负极材料界面的电阻很大，这些问题还没有很好解决，所以快充的特性暂时没有发挥出来。全固态电池在快充时更安全，目前在日本研究人员认为其可以快充，但都还在实验室探索阶段，离应用较远。丰田欧洲先进技术小组研究人员指出，全固态电池面临的技术障碍是功率密度不够高，原因在于电池阴极和固态电解质之间的转移电阻过高。因此，全固态电池开发过程中的主要任务就是提高它的功率密度。固态金属锂电池的特性使其负极可以使用金属锂，金属锂的容量是目前锂离子电池中石墨负极的10倍，如果能解决金属锂使用和加工过程中的安全性问题，用金属锂作负极，用高能量密度材料作正极，电池能量密度会有1～3倍的提升，这也是降低成本有效办法。

基础科学研究所(IBS)的自组装及复杂性中心和韩国浦项大学的研究人员，已开发出一种新型多孔固态锂离子电池，可以提高性能并避免过热的风险。韩国科学家研究了多孔CB[6]的高度各向异性(取向依赖)质子导电行为，可作为电池的电解质。这种电解质的锂离子传导很可能比现有的材料更安全。现有锂离子电池技术采用具有良好性能的夹层锂，利用简单浸泡方法制备有机固体基电解质。但是，更轻且更高功率的技术需求促使新型电解质的不断被研发出来。新开发的电池由南瓜形状的分子构成，以蜂窝状结构分布。分子构成极薄的平均直径为0.75nm的一维通道并在其间传递。此外，多孔CB[6]的物理结构可以使锂离子比传统的锂离子电池更自由地扩散，并不需要其他电池中的分离器。实验结果显示多孔CB[6]固体电解质具有良好的锂离子电导率。研究小组进行了锂离子迁移数的测定，观察到该值在0.7～0.8，超过现有电解质的0.2～0.5。此外，他们将新电池暴露在温度高达373K(99.85℃)的环境中，超过现有电池的标准高温极限80℃。在实验中，电池在从 298～373K(24.85～99.85℃)循环变化四天。结果在任何周期后均无热溢出现象，几乎没有或仅有很轻微的电导率变化。

大众汽车公司也表示看好固态电池前景，并入股研发固态电池的创业公司QuantumScape。公司认为，固态电池在储能方面相对传统锂电池存在优势，另外还具有阻燃能力强等优点，安全性能更好。公司正在加利福尼亚州硅谷研发的一款新电池，其价格更低，体积更小，动力更强劲，可大幅提升电动车续航里程。公司透露，目前正计划统一电池组规格，希望未来所有的电气化车辆可以转向单一的锂离子电池单元设计。统一规格必然会带来成本的下降，目标是通过简化电池单元设计降低66%的电池成本。作为对比，美国环保署EPA规定e-高尔夫纯电动车平均续航里程应达到83英里 (约合133公里)。这意味着倘若大众电池性能满足预期，电动车续航里程将达到EPA对高尔夫电动车要求的2.26倍。虽然300公里续航里程仍然不能和特斯拉ModelS的265英里相比，但大众将推出的是更具备价格可承受性的电动车，因而在推广普及电动车方面比ModelS意义更大。由于电池在能量密度上远不能同内燃机相比，因此续航里程长期以来是电动车最大软肋之一。大众正在研发下一代锂离子电池单元技术，能量密度可达到当前电池的5倍之多。

美国BioSolar公司已经同加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)签署协议，将继续对双方超级电池技术研究项目提供赞助资金。BioSolar与UCSB合作共同开发低成本、高性能材料结构的超级电容和电池。基于合作成果，BioSolar还致力于在超级电池技术上寻求新的突破。BioSolar认为，超级电池技术可以使得锂电池存储容量增加一倍、成本降低，同时电池寿命也有所延长。目前，该公司已经为其同UCSB联合开发的超级电池技术申请了知识产权专利保护。BioSolar公司称，此次同UCSB进一步深化合作将加快实现100美元 /千瓦时的使用成本目标。

西班牙Graphenano公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出了首例石墨烯聚合材料电池。这种电池的寿命是锂离子电池的2倍。用它来提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而将它充满电只需要不到8分钟的时间。在2015年3月西班牙石墨烯会议期间，Graphenano公司CEO表示，现在电池方面的实用发展阶段还是纽扣电池，利用石墨烯材料做出的纽扣电池即将上市，未来还会进一步应用推进到电动汽车动力电池。但是，石墨烯在锂离子电池中的应用还有许多具体技术难题需要突破。

三星电子的新技术是在电池的阴极上加入一种硅涂层，当中还包含着石墨烯材料，据称可将锂电池的容量翻倍。在这种新型涂层的帮助下，研究者成功打破了现有电池技术在充放电循环和容量上的限制，能在相同的体积内实现更大的容量，也就意味着续航能力的提升。

目前，不仅笔记本电脑、医疗植入式设备需要小型电池，空间应用设备对质量的要求也是越轻越好。另外随着可穿戴设备的带来，对电池的敏感度也越来越高。越来越多的研究开始集中到所谓的3D微电池上面。3D是在微观层面上增加电极的层数来增加电极的表面积。表面积增加后，离子从一个电极移动到另一个电极也更加容易，这就增加了电池的功率密度，提高了电池充放电的速率。早在2013年，哈佛大学研究团队就使用3D打印技术和锂原料制造出了精度极高的阴极和阳极。而不久前，来自美国伊利诺伊大学的团队研发出了一种利用全息光刻技术制造3D电池的方法。在这项技术中，超精确的光束被用来产生3D结构，即电极。全息光刻出现的时间比3D打印更早，所以更有机会实现这项技术的大规模制造。但是，就像所有的电池技术一样，在电池的功率密度和尺寸之间还有权衡。如果该技术成功实现了商业化，那么必然会产生巨大的影响。

此外，美国密歇根州的锂电池初创公司Sakti3所研发的电池使用了新型材料和生产技术，实现了高达1000Wh/L的能量密度。Sakti3的电池将使电动车的续航里程从256英里提升到480英里(约772公里)，制造成本低，充放电速度快，更环保，而且比有些标准更安全。这项技术弃用了传统锂电池中的可燃液体电解质，通过其高能存储材料实现技术进步。最重要的是，它的价格仅为每千瓦时100美元，未来能够应用在受限于成本和里程限制的电动汽车上。目前，Sakti3的锂电池技术还处于研发阶段，距离商品化还需要时间。很多电池初创公司都在努力将实验室技术转化成真实商品，但是一直也没有重大突破，部分原因在于他们的原型产品是定制的，需要使用昂贵的制造技术，难以批量生产。而Sakti3的原型产品则采用了标准生产设备，经过完善升级，实现商业化的可能性很大。

韩国的LG Chem宣布开发出新技术，电动车充电一次可行驶400～500公里，里程加倍，预计2017年就能量产。LG Chem预计，2017年LGChem会再次取得重大技术突破：到2017年或2018年，3万美元、续航200英里 (约321公里)的电动汽车将成为商业化主流产品。

总之，科学家们仍然在不懈努力，积极研发各种各样的新方法、新材料、新技术，并期待能够获得成功，尽早实现商业化生产，使电池技术不断进步。