新技術進步促進電池發展

劉春娜

電池發展到今天，其應用領域和范圍都在不斷擴大，各種新型電池技術也在不斷取得突破：電動汽車制造商正在尋找更便宜、更輕、更持久的電池；電子設備制造商也在尋找更可靠、壽命更長、充電更快的電池；可穿戴和醫療植入式設備的廠商則傾向于更小巧、更長續航時間的電池；可再生能源企業也在尋找能夠穩定充放電成千上萬次的電池。目前，新型液流電池、固態電池、超級電池、微電池等技術概念層出不窮，促進了電池行業的發展和進步。

在第85屆日內瓦車展上，列支敦士登的nanoFLOWCELL帶來續航了800公里的QUANTF電動超跑，除了酷炫的外表，其最大亮點就是采用了液流電池作為電動超跑的推動力。新型液流電池除了在價格和行駛里程上具有顯著優勢外，而且比目前汽車上使用的電池更加安全，更容易融入汽車設計中去。液流電池將電化學蓄電池以及燃料電池的各個方面相結合。液體電解質存在于兩個電池倉中并經過電池流通。系統中心有一層隔膜將兩個電解質解決方案分隔，但仍能容許電荷流通，從而為動力系統制造動力。該系統的優勢之一在于其采用體積較大的電池倉，也就意味著有著更高的能量密度。600V額定電壓和50 A額定電流下，該系統能不斷輸出30 kW的最大功率。相比為當今電動汽車提供動力的鋰離子電池技術而言，性能高出4倍，也就是說它的可行駛里程是同等質量傳統元件的5倍。QUANTF原型車中搭載了體積為200升的電池倉，存儲容量為120kWh。該車在低負載條件下，百公里能耗約為20kWh。公司表示，今后有望將電池倉的體積擴充至800升。車內配備了4臺持續功率為120 kW、峰值功率為170kW的電機，可通過扭矩分配實現四驅駕駛，也能作為車內兩個超級電容器的備用能量儲蓄裝置。每個車輪單獨峰值扭矩可達到2900Nm。

日本豐田汽車公司計劃在2020年實現全固態電池的商用化。該公司早在2010年就推出了更安全、壽命更長、功率輸出更優的全固態電池原型，希望它能在未來取代現有鋰離子電池。關于電池使用的安全問題一直廣受各方關注，這是由于鋰離子電池內的有機溶劑具有可燃性，存在安全隱患。如果要徹底保證電池安全，就要把可燃燒的有機溶劑用更安全的不能燃燒的固體電解質替換掉。而固態鋰電池有可能顯著提高電芯的安全性。全固態鋰電池沒有電解液，不易燃燒和爆炸，不會產生液體泄漏和腐蝕，在高溫下壽命不受影響，不易變形，電壓允許范圍更高。所以說，全固態電池是一種革命性技術，它可以在保證安全性的同時，提高電池能量密度。不過，單純強調安全性并不能把固態電池完全推向市場，性能的提升和成本的降低更加關鍵。目前固態電池安全性能更高，但是在其他主要性能上，比如充放電速率上和低溫特性上與采用液體電解質的現有鋰離子電池有顯著的差距。這主要是在固體電解質中離子傳輸速度較慢，固體電解質和正負極材料界面的電阻很大，這些問題還沒有很好解決，所以快充的特性暫時沒有發揮出來。全固態電池在快充時更安全，目前在日本研究人員認為其可以快充，但都還在實驗室探索階段，離應用較遠。豐田歐洲先進技術小組研究人員指出，全固態電池面臨的技術障礙是功率密度不夠高，原因在于電池陰極和固態電解質之間的轉移電阻過高。因此，全固態電池開發過程中的主要任務就是提高它的功率密度。固態金屬鋰電池的特性使其負極可以使用金屬鋰，金屬鋰的容量是目前鋰離子電池中石墨負極的10倍，如果能解決金屬鋰使用和加工過程中的安全性問題，用金屬鋰作負極，用高能量密度材料作正極，電池能量密度會有1～3倍的提升，這也是降低成本有效辦法。

基礎科學研究所(IBS)的自組裝及復雜性中心和韓國浦項大學的研究人員，已開發出一種新型多孔固態鋰離子電池，可以提高性能并避免過熱的風險。韓國科學家研究了多孔CB[6]的高度各向異性(取向依賴)質子導電行為，可作為電池的電解質。這種電解質的鋰離子傳導很可能比現有的材料更安全。現有鋰離子電池技術采用具有良好性能的夾層鋰，利用簡單浸泡方法制備有機固體基電解質。但是，更輕且更高功率的技術需求促使新型電解質的不斷被研發出來。新開發的電池由南瓜形狀的分子構成，以蜂窩狀結構分布。分子構成極薄的平均直徑為0.75nm的一維通道并在其間傳遞。此外，多孔CB[6]的物理結構可以使鋰離子比傳統的鋰離子電池更自由地擴散，并不需要其他電池中的分離器。實驗結果顯示多孔CB[6]固體電解質具有良好的鋰離子電導率。研究小組進行了鋰離子遷移數的測定，觀察到該值在0.7～0.8，超過現有電解質的0.2～0.5。此外，他們將新電池暴露在溫度高達373K(99.85℃)的環境中，超過現有電池的標準高溫極限80℃。在實驗中，電池在從 298～373K(24.85～99.85℃)循環變化四天。結果在任何周期后均無熱溢出現象，幾乎沒有或僅有很輕微的電導率變化。

大眾汽車公司也表示看好固態電池前景，并入股研發固態電池的創業公司QuantumScape。公司認為，固態電池在儲能方面相對傳統鋰電池存在優勢，另外還具有阻燃能力強等優點，安全性能更好。公司正在加利福尼亞州硅谷研發的一款新電池，其價格更低，體積更小，動力更強勁，可大幅提升電動車續航里程。公司透露，目前正計劃統一電池組規格，希望未來所有的電氣化車輛可以轉向單一的鋰離子電池單元設計。統一規格必然會帶來成本的下降，目標是通過簡化電池單元設計降低66%的電池成本。作為對比，美國環保署EPA規定e-高爾夫純電動車平均續航里程應達到83英里 (約合133公里)。這意味著倘若大眾電池性能滿足預期，電動車續航里程將達到EPA對高爾夫電動車要求的2.26倍。雖然300公里續航里程仍然不能和特斯拉ModelS的265英里相比，但大眾將推出的是更具備價格可承受性的電動車，因而在推廣普及電動車方面比ModelS意義更大。由于電池在能量密度上遠不能同內燃機相比，因此續航里程長期以來是電動車最大軟肋之一。大眾正在研發下一代鋰離子電池單元技術，能量密度可達到當前電池的5倍之多。

美國BioSolar公司已經同加州大學圣塔芭芭拉分校(UCSB)簽署協議，將繼續對雙方超級電池技術研究項目提供贊助資金。BioSolar與UCSB合作共同開發低成本、高性能材料結構的超級電容和電池。基于合作成果，BioSolar還致力于在超級電池技術上尋求新的突破。BioSolar認為，超級電池技術可以使得鋰電池存儲容量增加一倍、成本降低，同時電池壽命也有所延長。目前，該公司已經為其同UCSB聯合開發的超級電池技術申請了知識產權專利保護。BioSolar公司稱，此次同UCSB進一步深化合作將加快實現100美元 /千瓦時的使用成本目標。

西班牙Graphenano公司同西班牙科爾瓦多大學合作研究出了首例石墨烯聚合材料電池。這種電池的壽命是鋰離子電池的2倍。用它來提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而將它充滿電只需要不到8分鐘的時間。在2015年3月西班牙石墨烯會議期間，Graphenano公司CEO表示，現在電池方面的實用發展階段還是紐扣電池，利用石墨烯材料做出的紐扣電池即將上市，未來還會進一步應用推進到電動汽車動力電池。但是，石墨烯在鋰離子電池中的應用還有許多具體技術難題需要突破。

三星電子的新技術是在電池的陰極上加入一種硅涂層，當中還包含著石墨烯材料，據稱可將鋰電池的容量翻倍。在這種新型涂層的幫助下，研究者成功打破了現有電池技術在充放電循環和容量上的限制，能在相同的體積內實現更大的容量，也就意味著續航能力的提升。

目前，不僅筆記本電腦、醫療植入式設備需要小型電池，空間應用設備對質量的要求也是越輕越好。另外隨著可穿戴設備的帶來，對電池的敏感度也越來越高。越來越多的研究開始集中到所謂的3D微電池上面。3D是在微觀層面上增加電極的層數來增加電極的表面積。表面積增加后，離子從一個電極移動到另一個電極也更加容易，這就增加了電池的功率密度，提高了電池充放電的速率。早在2013年，哈佛大學研究團隊就使用3D打印技術和鋰原料制造出了精度極高的陰極和陽極。而不久前，來自美國伊利諾伊大學的團隊研發出了一種利用全息光刻技術制造3D電池的方法。在這項技術中，超精確的光束被用來產生3D結構，即電極。全息光刻出現的時間比3D打印更早，所以更有機會實現這項技術的大規模制造。但是，就像所有的電池技術一樣，在電池的功率密度和尺寸之間還有權衡。如果該技術成功實現了商業化，那么必然會產生巨大的影響。

此外，美國密歇根州的鋰電池初創公司Sakti3所研發的電池使用了新型材料和生產技術，實現了高達1000Wh/L的能量密度。Sakti3的電池將使電動車的續航里程從256英里提升到480英里(約772公里)，制造成本低，充放電速度快，更環保，而且比有些標準更安全。這項技術棄用了傳統鋰電池中的可燃液體電解質，通過其高能存儲材料實現技術進步。最重要的是，它的價格僅為每千瓦時100美元，未來能夠應用在受限于成本和里程限制的電動汽車上。目前，Sakti3的鋰電池技術還處于研發階段，距離商品化還需要時間。很多電池初創公司都在努力將實驗室技術轉化成真實商品，但是一直也沒有重大突破，部分原因在于他們的原型產品是定制的，需要使用昂貴的制造技術，難以批量生產。而Sakti3的原型產品則采用了標準生產設備，經過完善升級，實現商業化的可能性很大。

韓國的LG Chem宣布開發出新技術，電動車充電一次可行駛400～500公里，里程加倍，預計2017年就能量產。LG Chem預計，2017年LGChem會再次取得重大技術突破：到2017年或2018年，3萬美元、續航200英里 (約321公里)的電動汽車將成為商業化主流產品。

總之，科學家們仍然在不懈努力，積極研發各種各樣的新方法、新材料、新技術，并期待能夠獲得成功，盡早實現商業化生產，使電池技術不斷進步。