鋰離子電池的技術發展及對電動車的助力 挑戰在于電池材料及工藝
發布日期:2020-06-09    來源:中國高科技行業門戶    

據外媒報道,新一代的電動車自10年前起開始出現在路面上。美國佐治亞理工學院的研究人員耗費了一年時間,追蹤了近500名美國駕駛員的駕駛習慣,旨在確認電動車是否適合這類人群使用。

 

研究人員發現,近三分之一的受訪者表示,他(她)們可以用續航里程為100英里(約合160公里)的電動車完成其絕大部分出行活動。只有6%的情況所涉及的出行距離較遠,可能需要用戶將電量充滿后再出行,或租用一輛汽油車。

 

如今,電動車的發展情況更好了。許多電動車續航里程數已遠不止200英里(約合320公里),某些大尺寸、高端車型的續航里程數甚至能達到近400公里。畢竟,仍有許多潛在的購車用戶擔心車輛在半途中電量耗盡。長續航版電池可緩解用戶的“電動車里程數焦慮”,但“還有很多坑要填”。

 

許多電動車所搭載的電池都是鋰離子電池,該款產品是索尼公司于1991年實現商業化的電池設計,該類電池的特別之處在于其蓄能容量較高。目前,電動車車載電池的能量密度通常為200wh/kg,當代鋰離子電池可將200 watt-hour的電勢注入到1千克的電池套件(kit)中。該數據是舊款鉛酸電池的5倍,研究人員們正在持續研究改進,旨在提升鋰離子電池性能。

 

鋰離子電池的名字取自其內部的鋰離子。但這類電池放電時,陽極會產生鋰離子。然后,該鋰離子將通過電池隔板(只有鋰離子能通過)至電解液中,然后再擴散至陰極。陽極的電子將消失,沿著外部電路進入陰極。在該過程中產生的電流將被用于驅動電機。而在陰極位置,離子和電子重新結合。該情況將持續至用戶通過充電線纜將車輛與充電設備連通時,整個流程將逆轉。

 

對于車輛這類重量敏感型應用而言,鋰金屬是化學元素周期表中最輕的一款金屬,但該金屬的(化學)反應性也較高。電芯的構建需要非常謹慎,避免瑕疵,否則將可能引發電池短路乃至于電池起火事故。陽極通常由富碳材料(carbon-rich material)組成,陰極內的鋰金屬通常容易被部分氧化,從而生成鋰鈷氧化物(lithium cobalt oxide)。

 

而鈷金屬是最為昂貴的一款電池材料,電池制造商們都試圖減少該材料的使用量。許多鈷礦都位于剛果民主共和國,而采礦條件非常惡劣,甚至有使用童工的情況出現。業內的主流思路是減少電鈷金屬在鋰電池內的使用量,同時調升鎳和錳的用量,以便生產NMC電池(三元鋰電池)。

 

去年,中國最大的電池制造商——寧德時代開始量產NMC電池,其能量密度達到240wh/kg。而特斯拉等其他公司則希望進一步削減甚至擺脫對鈷金屬的依賴,但特斯拉卻對其電池計劃的明細內容守口如瓶。

 

為降低電池材料的成本,隨著寧德時代、特斯拉及其他對手的產能提升,這類電池的價格將穩步下滑。據彭博新能源財經透露,2012年鋰電池的平均售價為1160美元/千瓦時(約合8204.68元/千瓦時)。到2024年,其售價將低于100美元/千瓦時(約合707.3元/千瓦時)(見圖表)。屆時,與內燃機車相比較,電動車的競爭優勢將更大。

 

 

 

為提升電動車的續航里程數,許多業內人士將其希望放在固態電池上,而非液態電池上。鋰離子可通過某類固態電解質的“隧道”(tunnel through)。這類電池的安全性更高,也有望使用其他電解質材料,從而獲得更高的能量密度。在各類最新的固態電池方案中,三星在韓國和日本的實驗室提出了一款設計,牽頭人為Dongmin Im。該設計采用了一款NMC陰極、銀、碳復合物組成的陽極及一款基于硫銀鍺礦基材的固態電解質,硫銀鍺礦主要由銀、鍺和硫三類材料組成。

 

據該團隊于今年3月發布的論文顯示,這類電池的能量密度為900wh/l,這意味著相較于傳統鋰離子電池,在既定(同等)體積下,新電池的容量已實現翻番。該研究小組預計,該類電池的能量密度為430wh/kg,從而將電動車的續航里程數提升至800公里。基于硫銀鍺礦基材的電池不會產生名為鋰晶枝的針狀結晶物,該類物質通常在鋰電池充電時生成。

 

該團隊表示,相較于當前的電池,該款固態鋰電池更具備成本效益。不幸的是,研究人員表示,目前尚難以確定何時才能該款電池,也不確定應如何量產該款電池,這是電池類設備的通病。德克薩斯大學奧斯汀分校的電池專家Arumugam Manthiram指出,固態電池研發過程中的兩大難題。

 

首先,固態(電極與電解質)面對面放置,將僅限制在電解質和電極間通過的接觸點。相較之下,液態與固態間(電極與電解液)的接觸點是連續的。有一種方式可以克服該難題,即采用一款聚合物電解質(polymer electrolyte),但材料的柔性需足夠高,確保其表面能與固態電極。Manthiram博士評論道:“唉,我們尚未找到良好的聚合物材料。”

 

第二個問題在于制造。許多固態電解質是陶瓷材質的,非常容易碎,這導致在大批量生產時存在難題,但聚合物就能避免這類難題。然而,仍不得不面臨前一個問題——聚合物的選材。

 

此外,這類鋰離子電池技術領域內的新理念已經足夠成熟,之前的既得利益者們將被迫出局。從液態電解質向固態電解質發展,這意味著需要建立一家造價高昂的新工廠。此外,研發更優質的液態電解質、采用可匹配的新款電極可能是朝著安全性更高、電量更大鋰離子電池的最可靠的技術路線。



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