日本開(kāi)發(fā)出可用于電動(dòng)汽車(chē)的雙碳電池

付甜甜

近日，日本的一家名為Power Japan Plus的公司推出了一款具有突破性的化學(xué)電池——雙碳(dual carbon)電池，即陰極和陽(yáng)極都是碳材料的電池。與其他電池相比，此款電池在同等能量密度的條件下，使用壽命更長(zhǎng)、安全性更高、充電速率更快。

電池原理圖

雙碳性電池(dual-carbon)也被稱(chēng)之為雙石墨電池(dual-graphite)。1989年首次在McCullough和其同事的一篇專(zhuān)利文章中提到，之后分別于1994年由Carlin等人以及于2000年由Seel和Dahn等人進(jìn)行了深入研究。該雙碳性電池的基本工作原理：電解質(zhì)中的鋰離子不斷析出在陽(yáng)極和陰極上，而相應(yīng)電解質(zhì)中的陰離子也不斷被吸附到陰極和陽(yáng)極上。在該雙碳性電池放電過(guò)程中，陰離子和鋰離子同時(shí)溶解到電解質(zhì)中。

2013年，Rothermel等人對(duì)該雙碳性電池技術(shù)挑戰(zhàn)和機(jī)遇進(jìn)行了文章回顧，文中提到雙碳性電池中的電解質(zhì)不僅可以作為電荷載體而且還可以充當(dāng)活性物質(zhì)。

Power Japan Plus公司此次推出的雙碳性電池技術(shù)是在日本九州大學(xué) (Kyushu University)Tatsum i Ishihara教授的研究成果上進(jìn)行的。Power Japan Plus公司表示其將與Tatsum i Ishihara教授以及九州大學(xué)繼續(xù)進(jìn)行雙碳性電池技術(shù)的合作研發(fā)。

2013年，Tatsum i Ishihara教授與其同事針對(duì)該雙碳性電池技術(shù)合作申請(qǐng)了一項(xiàng)專(zhuān)利，專(zhuān)利中通過(guò)利用LiPF6電解質(zhì)鹽詳細(xì)介紹了雙碳性電池的充電放電過(guò)程。

該雙碳性電池放電容量與正極陰離子存儲(chǔ)容量、正極可釋放的陰離子容量、負(fù)極陽(yáng)離子存儲(chǔ)容量、負(fù)極可釋放的陽(yáng)離子容量以及電解質(zhì)中陰離子和陽(yáng)離子容量有關(guān)。

為提高該雙碳性電池的放電容量，不僅需要提高陽(yáng)性活性電極材料的容量和陽(yáng)性活性電極材料的容量，而且還需要提高如鋰鹽一類(lèi)的非水溶性電解質(zhì)的容量。由于在雙碳性電池充放電的循環(huán)過(guò)程中，其電解質(zhì)離子濃度始終在變化，因此，雙碳性電池的電解質(zhì)必須保證具有足夠的電解質(zhì)鹽，從而保證電解質(zhì)的導(dǎo)電性能。同時(shí)，雙碳性電池的電解質(zhì)還必須保證具有足夠的電解質(zhì)溶劑以確保電解質(zhì)鹽能夠在電池充放電過(guò)程中始終充分溶解。

在Tatsum i Ishihara教授與其同事的雙碳性電池技術(shù)專(zhuān)利中，Tatsum i Ishihara教授指出雙碳性電池在充放電過(guò)程中，其內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生鋰鹽沉淀析出現(xiàn)象。由于鋰鹽沉淀析出后屬于絕緣體，如果鋰鹽沉淀析出至電極上，那么將導(dǎo)致發(fā)生電池能量密度降低等問(wèn)題。

Tatsum i Ishihara教授與其科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)鋰鹽在電極上沉淀析出問(wèn)題已經(jīng)找到了解決的方法，通過(guò)該解決方法不僅可以提高雙碳性電池的放電容量，而且還可以提升電池重量能量密度。

Power Japan Plus公司表示，其雙碳性電池的單體電池雖然和鋰離子材料的電池能量密度相當(dāng)，但其充放電次數(shù)比后者多20次，其充放電次數(shù)達(dá)到了3000次，能夠在耗電100%的情況下不造成短路和電池?fù)p毀。另外，該款電池不會(huì)發(fā)熱，因此不需要電動(dòng)汽車(chē)中現(xiàn)有的外置冷卻系統(tǒng)。熱穩(wěn)定性也是該款電池的一大特征，因?yàn)樗藷崾Э匚ｋU(xiǎn)，而嚴(yán)重的熱失控很可能造成爆炸。該電池強(qiáng)大的優(yōu)越性能，是其它4伏特以上電池所無(wú)法比擬的。而且，其生產(chǎn)工藝非常簡(jiǎn)單，可以直接由現(xiàn)在的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，無(wú)需對(duì)目前的生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行更改。

Power Japan Plus公司還表示，由于雙碳性電池充電速率得到了大幅提升，所以該雙碳性電池將很有可能應(yīng)用到長(zhǎng)途型電動(dòng)汽車(chē)上，另外其再生制動(dòng)效率也將更加高效。因?yàn)樵撾p碳性電池可以進(jìn)行100%放電，所以這進(jìn)一步延長(zhǎng)了電池可用充放電循環(huán)的壽命。公司稱(chēng)，他們的技術(shù)能夠讓一輛尼桑凌風(fēng)(nissan leaf，一款新式 5座電動(dòng)轎車(chē)）在12分鐘內(nèi)完成充電，而不是以前的4小時(shí)。這款車(chē)的電池是24千瓦的電容量，稍微估算一下就知道，新技術(shù)能讓特斯拉S型電動(dòng)車(chē)的85千瓦電池在42分鐘內(nèi)完成充電。

Power Japan Plus公司表示將于今年下半年開(kāi)始參照目前18650瑞登（Ryden）電池的生產(chǎn)模式進(jìn)行雙碳性電池的生產(chǎn)，其生產(chǎn)基地將在其沖繩（Okinawa）工廠進(jìn)行。至此，Power Japan Plus公司雙碳性電池應(yīng)用范圍還將延伸至醫(yī)療設(shè)備和衛(wèi)星研發(fā)的儲(chǔ)能領(lǐng)域。另外，為了進(jìn)一步滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)內(nèi)儲(chǔ)能應(yīng)用，Power Japan Plus公司表示將開(kāi)設(shè)特許經(jīng)營(yíng)模式，其可以為現(xiàn)有的電池制造廠商提供關(guān)于生產(chǎn)制造瑞登（Ryden）雙碳性電池方面的技術(shù)支持和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

該款電池還能回收利用，具有高度的可持續(xù)性。電池不包含稀有金屬，稀土金屬或重金屬，并且是100%可回收，大大提高了先進(jìn)的電池從搖籃到搖籃的可持續(xù)性。Power Japan Plus公司計(jì)劃采用有機(jī)碳復(fù)合物來(lái)生產(chǎn)該電池，用有機(jī)棉生產(chǎn)內(nèi)部構(gòu)造，完美地掌控了電極的碳晶體型號(hào)。公司計(jì)劃在今年開(kāi)始生產(chǎn)18650雙碳性電池，供醫(yī)療設(shè)備、衛(wèi)星等特殊領(lǐng)域使用，他們還計(jì)劃授權(quán)其他公司在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域使用該技術(shù)。

鏈接：

美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室于近日在英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)(RSC)能源與環(huán)境科學(xué)(Energy&Environmental Science)期刊上發(fā)表了一篇關(guān)于雙碳性電池的技術(shù)文章。文章介紹研究人員采用了一種可逆的雙碳性電池夾層化學(xué)結(jié)構(gòu)，該化學(xué)結(jié)構(gòu)能夠利用自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同時(shí)吸附鋰離子和PF6。另外，該雙碳性電池還采用了含氟溶劑的高壓電解質(zhì)，其工作電壓可以達(dá)到5.2伏。該雙碳性電池不僅能夠保證足夠的能量容量，而且還具有成本低、安全性高、更加環(huán)保等特點(diǎn)。因此，該美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室研究小組一致認(rèn)為其雙碳性電池是解決高效儲(chǔ)能問(wèn)題的有效解決方案。