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2016年十大锂电池技术突破

2016-12-30 19:16:12 3347 智能手机电动汽车华为

0 锂电池在我们生活中扮演的角色将越来越重要。从智能手机到电动汽车再到储能，处处可见锂电池的身影。然而，随着这些行业的发展，人们对这些产品提出了更多的需求，也对锂电提出了更苛刻的要求。因此，电池技术突破，尤为重要。目前，锂离子电池能量密度和安全性能亟待提升，锂硫电池、锂空气电池和固态电池都有希望取代锂离子电池，这三种电池技术，是行业研究的热门领域。2016年马上就要走到终点，回顾这一年，elecfans锂电网精心盘点了电池的十大相关科研成果，供大家参考！突破一：韩国推出新型防火防爆全固态锂电池韩国蔚山科技大学（UNIST，能源与化学工程学院）Yoon Seok Jun教授与首尔国立大学的。 Seng M. Oh教授牵头的研发团队开发出一种全固态锂电池。开发该电池采用的方法是先将固体电解质熔化，然后将熔化的电解质涂抹在电极上。为了解决粉末状的固体电解质和电极活性材料之间的接触不活跃，使得锂离子更难以移动到电极的问题。该团队还开发出了一种可以增强固体电解质导电性的材料，甲醇液中添加碘化锂（LiI）。据该团队的Jung教授介绍，新开发的固体电解质具有较高的离子导电性、无毒性。而且所采用电池原料和溶剂（甲醇）价格都比较便宜。相比于液态锂离子来讲，全固态锂电池在循环性、安全性、功率衰减、寿命以及能量密度上都有明显的优势，而且电压更高，电池模组和系统设计起来更简单。目前困扰全固态电池实现产业化主要有两个问题：一是固态电解质在室温条件下的离子电导率不高；二是固态电解质与正负极之间界面阻抗比较大。韩国推出的这款新型电池，在固态电解质的离子导电率上取得突破，而且所用的材料都比较便宜，如果技术成熟的化，将加快固态锂电池投入商用化的进程。突破二：新型双离子电池技术成本更低能量密度更高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出新型高储能、低体积电池技术。据介绍，唐永炳发明的铝—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。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）。该团队成员表示，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。在编辑看来，唐永炳唐研究员及其团队研发的这种铝—石墨双离子电池，从现阶段来看具有非常高的应用价值。受“骗补事件”影响，国家对新能源汽车的财政补贴，从明年开始将全面退坡，铝-石墨电池可将生产成本降低约40%-50%，可将补贴退坡对新能源汽车的负面影响完全消除，甚至还能使新能源汽车的价格进一步降低。而续航提升，可缓解人们对新能源汽车的“续航焦虑”。假如该电池技术能够及早成熟，或能对现有动力电池格局造成有力的冲击。突破三：微宏不燃烧电池技术或解决电动汽车起火难题 2016年3月19日，微宏在北京水立方举办了“More Than Safe\|微宏不燃烧电池技术”发布会。此次发布的不燃烧电池技术是微宏历时8年研发的不燃烧电池技术成果。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。研究表明，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。在现场，微宏展示了不燃烧电解液确实不会被点燃。在实现电解液不燃烧之后，高性能隔膜也是保证锂离子电池安全的重要保障。普通锂离子电池隔膜通常熔点较低，在130摄氏度左右便会收缩，从而导致电池的内部短路，发生热失控。微宏提出了耐高温隔膜的思路。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。微宏也还采用浸没方式的STL智能热控流体技术设立了被动防御措施。 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。锂电池容易起火，是因为其热稳定性较差，在200℃左右的外界温度下，就会分解并释放出氧气，与电池里的可燃的电解液、碳材料一起，一点就着。锂电池一旦着火，产生的热量会进一步加剧正极的分解，在极短的时间内就会爆燃。电池正常使用过程中并不会达到电池燃烧的条件，当锂离子电池的发生内短路时，就会使锂电池热失控，从而导致锂电池自燃。不稳定的设计、环境恶劣以及机械性的损伤等这些外因造成的内短路，可以通过电子器件和机械设计进行避免。但是，由锂电池材料体系及制成工艺等诸多内因造成的的内短路难以控制。微宏不燃烧电池主要从电解液、锂离子隔膜和热控流体技术三个方面，另辟蹊径，直接阻断燃烧源，最大化避免锂离子电池的燃烧。突破四：无钴高电压电池材料问世可降低电池成本 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。纵览市场上的三大电池材料，钛酸锂，成本高，能量密度低；磷酸铁锂，能量密度偏低，成本偏高，输出电压较低；三元材料，不够安全。稍作对比，就能知道这种新电池材料的价值所在，可以说是完美的解决了现在锂电池面临的几大瓶颈。突破五：新型复合金属锂电极材料问世突破商业化瓶颈美国斯坦福大学著名材料学家崔屹与美国前能源部部长、诺贝尔物理奖得主朱棣文组成的研究团队，最近在金属锂电极的实际应用研发方面取得重大突破。金属锂具有极高的理论比容量和理想的负极电位。以金属锂为负极的二次电池，具有高工作电压、高能量密度等优势，使得金属锂成为当今能源存储领域的首选材料。然而金属锂与电解液的副反应，循环过程中的电极尺寸变化，以及锂枝晶的形成。前者很大程度上降低了电池的库伦效率，影响了其电化学性能；后两者则会给金属锂电池带来严重的安全隐患。该研究团队经过多次尝试后，他们将目光转向了纳米技术。研究小组对材料表面特殊浸润性进行深入研究后，首次提出了“亲锂性”这一概念，并利用表面“亲锂化”处理的碳质主体材料，通过建立“亲锂”的界面材料体系，开创性地将金属锂融化之后，利用毛细作用吸入碳纤维网络的空隙中，成功制备出含有支撑框架的复合金属锂电极。新研究的复合金属锂电极在碳酸盐电解液体系的循环过程中具有较小的尺寸变化、极高的比容量和良好的循环及倍率性能，其电压曲线也相对平滑，突破了当前制约金属锂电池商业化的主要问题。复合金属锂电极由10%体积比的碳纤维和金属锂材料组成。碳纤维网络具有良好的导电性，超高的机械强度和电化学稳定性，因此，作为金属锂的主体框架材料是绝佳选择。与之前的相关研究相比，梁正等人将金属锂融化，并依据不同材料的浸润性所提出的“亲锂”“疏锂”概念，为金属锂电极研究提供了新思路，并且对其他领域的研究具有极高的借鉴作用。在这项科研中，编辑认为，相较于合成新型复合金属锂电极材料这个成果，它们所提出来的“亲锂”、“疏锂”概念的成就更大，因为这个概念为金属锂电极研究提供了新思路，可能会在未来的科研中开发出更优秀的材料，更多的科研成果。突破六：MIT新型锂氧电池或解决电动汽车续航“焦虑” 由麻省理工学院核科学与工程学院教授李巨领衔，与MIT、阿贡国家实验室、北京大学等另外几名成员研究团队公布了新研发的锂氧电池。根据李巨教授介绍，“传统的锂空气电池的工作原理是这样的：在放电过程中，锂空气电池从外界吸收氧气，并与电池的锂产生化学反应。在充电过程中，则产生相反的化学反应，氧被重新释放到空气中。而新型锂氧电池，充电与放电过程中，锂元素与氧气进行同样的电化学反应，但整个过程中根本不需要氧元素的气态变化。氧元素一直以固态形势存在，并可在三种氧化还原状态中直接切换，产生三种不同的固体化合物——氧化锂Li2O、过氧化锂Li2O2以及超氧化锂LiO2”。新型电池的奥秘在于创建一个极小的微粒，大约在纳米级别，成玻璃状的微粒可同时包含锂与氧，并紧紧被包围在氧化钴（cobalt oxide）的小矩阵里。因为通常状态下，纳米锂氧非常不稳定，所以研究人员将它们放入了氧化钴的矩阵之中。氧化钴矩阵其实是一种类似海绵状的物质，每隔几纳米就有一个气孔。氧化钴矩阵一方面可以稳定住纳米锂氧，另一方面，还可以充当化学反应的催化剂。李巨教授将锂空气电池和新型锂氧电池进行对比，锂空气电池的一大缺点是电池充电与放电时电压的不匹配。电池的输出电压比充电时的电压要低1.2 伏还要多，这意味着在每一次完整充电过程中，都会产生巨大的能量损失，在充电时，约30%的电量以热量的形式流失，如果你充电速度过快，它都可以自燃。锂氧电池电压损耗情况可以改善5倍以上，从1.2伏减为0.24伏，所以，仅有8%的电能被转换成了热量。这意味着汽车可以快速充电，因此电池组发烫的情况会解决，不再构成安全隐患，而且电池的能源效率得到了保障。锂空气电池其实是锂干氧电池，因为它完全不能处理潮湿以及二氧化碳。所以锂空气电池使用的输入型空气需要认真处理。新电池完全不需要吸入以及排除气体，这个困扰锂空气电池的问题迎刃而解。此外，新型电池自身存在一种过度充电的保护机制，在过度充电情况下，化学反应可以实现自我约束。一旦过度充电情况发生，化学物质马上转变成另外一种形态，从而化学反应中止。在循环负荷试验中，新型电池的实验室版本完成了120遍充电—放电的循环测试，整个过程下来，仅有2%的能量损失，这意味着这种电池或将拥有超长寿命。研究团队表示，新电池使用的作为液体电解质的碳酸盐是最便宜的一种。此外，氧化钴的重量还不到纳米锂氧重量的一半。整体而言，这种新型电池与锂空气电池相比，应用更为广泛、价格更为低廉、使用更为安全。编辑认为，这是一项重大突破，可能会推动氧基电池技术的重大发展。锂空气电池，被认为是锂离子电池的终极形态，而这个新型锂氧电池更是锂空气电池的升级版，更加强大、更加方便、还更加安全。希望这项技术能够快点成熟，走上市场！突破七：中科院研制出高性能石墨烯锂电池材料中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所刘锦淮和黄行九课题组的副研究员刘金云等在研制高性能石墨烯锂离子电池方面取得新成果。刘金云等通过美国伊利诺伊大学香槟分校和中科院合肥研究院合作，研制了一种基于三维石墨烯的复合电池材料，具有高的活性材料负载量、短的离子电子传输路径，而且电极材料组装成电池不需要使用任何粘结剂和导电剂等添加剂，电池具有高容量和优良的循环稳定性。研制的三维石墨烯/五氧化二钒电池正极材料，在12分钟完全充/放电条件下，循环2000次后电池容量大于200 mAh/g（大量文献报道小于1000次、容量普遍低于150 mAh/g）；而且1分钟充电的容量，达到商用和文献报道的大于5分钟的相近容量。此外，该三维石墨烯复合电池材料结构设计还可以应用于锂离子电池负极材料，比如研制石墨烯/硅复合负极，展现出良好的通用性。从便携式电子设备到新能源电动汽车，都对高性能锂离子电池具有迫切需求。作为锂离子电池的核心，电极活性材料普遍要求具有高容量和能量密度、长期循环稳定和安全性。石墨烯锂离子电池材料研发的突破，有望再度给石墨烯产业的应用和推广带来利好。突破八：麻省理工发现新型可导电海绵状MOF材料推动电池技术发展美国麻省理工学院首次发现了具有导电性的金属-有机框架化合物MOF材料（metal-organic frameworks），海绵状微观结构的新型MOF材料具有极高的储能密度，有望能够成为新一代超级电容/电池技术的核心材料。海绵状的新型MOF材料由于结构特性，具有极高的材料表面积，由此可以制备具极高储能密度的超级电容器，新型MOF材料被证明可在一定条件下具有导电性。这种具备高度导电性的MOF材料，打开了一个全新的应用类型。该团队相信，应用该材料制备的超级电容将有更高的储能密度，有望应用在更广的范围内，推动新一代电池技术发展。碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用碳纳米管材料，制得的超级电容器，储能密度比较高。但是碳纳米管材料的制备条件非常严苛，且成本高昂。这种海绵状的新型MOF材料制备的超级电容比碳纳米管超级电容气储能密度更高，假如成本能够有所降低的话，那么它或许会取代碳纳米管超级电容器的地位，如果成本也比较高的化，那么应用的空间肯能会缩小很多。突破九：掺杂碳纳米管片新型锂电池受损后可自我愈合研究人员开发了一种新型锂离子电池，即使受损后，它也能迅速“再生”，恢复对外供电。新一代电池利用一系列掺有聚合物的碳纳米管片，在电池受损时不止会阻止泄露，还使“创伤面”能自我愈合。开发这项技术的研究团队，利用佩戴在玩偶手臂上的柔性腕带形状电池进行了演示。电池受到损伤后，会自己“长好”，恢复供电，就像没有受到过损伤一样。研究人员认为自愈合电池可以用于可穿戴设备——尤其是有时可能受损的可穿戴设备。目前，新型电池还处于试验阶段，因此要应用在Fitbit健身手环或Apple Watch等可穿戴设备中还需要一段时间。传统锂离子电池虽然可以设计为柔性电池，但是，如果破裂、弯曲或受到过大压力，它们仍然可能受损。一旦电池受损，整个使用电池的设备就失效了，造成财物损失，另外电池算坏，还有可能造成有毒、带有腐蚀性或易燃的化学物质泄露，带来安全隐患。这个可愈合的电池，编辑隐隐有些小激动啊，真是心疼以前扔掉的那些不小心弄坏电池电动玩具，真是可惜啊，没赶上好时候！突破十：华为石墨烯基高温锂离子电池取得重大突破 12月1日，华为中央研究院瓦特实验室宣布在锂离子电池领域实现重大研究突破，推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池。实验结果显示，以石墨烯为基础的新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高10℃，使用寿命是普通锂离子电池的2倍。华为瓦特实验室首席科学家李阳兴博士指出，石墨烯基高温锂离子电池技术突破主要来自三个方面：在电解液中加入特殊添加剂，除去痕量水，避免电解液的高温分解；电池正极选用改性的大单晶三元材料，提高材料的热稳定性；同时，采用新型材料石墨烯，可实现锂离子电池与环境间的高效散热。据介绍，高温环境下的充放电测试表明，同等工作参数下，该石墨烯基高温锂离子电池的温升比普通锂离子电池降低5℃； 60°C高温循环2000次，容量保持率仍超过70%；60℃高温存储200天，容量损失小于13%。这一研究成果将给通信基站的储能业务带来革新。在炎热地区使用该高温锂离子电池的外挂基站工作寿命可达4年以上。石墨烯基锂离子电池也将助力电动车在高温环境下持久续航，以及无人机高温发热下的安全飞行。编辑认为，在华为的这款新型电池中，石墨烯是用来实现锂离子电池与环境间高效散热的，所以华为这个“石墨稀基”有些耐人寻味。但是，石墨烯高导热的性能是公认的，用来提升散热性能这是个值得推广的思路。另外，华为提到的该技术可以用于极端环境地区的通讯基站，也明确了这款电池的优势是在极端环境下保证储能-供能稳定，并非无所不能。 1
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