【年终盘点】2017年锂电行业十大技术热点

发布日期:2017-12-27
核心提示:光阴似箭,日月如梭。新能源汽车行业依旧火热,带动锂电池需求持续增长。然而目前锂电的能量密度越来越接近极限,而固态电池成了大众视野中最适合的方向,但也存在部分研究机构继续坚持在液态电池上作文章;当石墨烯之类的新材料装载上锂电池,替换此前的正负极、电解液、隔膜时,它们的表现又是如何让人惊喜?2017年,锂电行业大大小小的技术时有公布,根据相关技术的影响深度,盘点了锂电行业十大技术热点。

光阴似箭,日月如梭。新能源汽车行业依旧火热,带动锂电池需求持续增长。然而目前锂电的能量密度越来越接近极限,而固态电池成了大众视野中最适合的方向,但也存在部分研究机构继续坚持在液态电池上作文章;当石墨烯之类的新材料装载上锂电池,替换此前的正负极、电解液、隔膜时,它们的表现又是如何让人惊喜?2017年,锂电行业大大小小的技术时有公布,根据相关技术的影响深度,盘点了锂电行业十大技术热点。

一、固态电池技术

电动车和手机的下一代锂电池将会选择能量密度更高、安全性更好的全固态锂离子电池。各国对固态电池的研究如火如荼。

我国为了加速新材料和全固态锂离子电池研发,“十三五”期间设立“基于材料基因组技术的全固态电池研发”国家重点专项,该重点专项由北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授作为首席科学家牵头组织11家单位共同承担。

12月初,有报道称,潘锋教授课题组在新型固态电解质以及高能量密度固态电池方面的研究取得重要进展,制备了新型复合固态电解质材料。该电解质材料具有较高的体相离子电导率,锂离子传输性能极佳,与电极材料颗粒间具有良好的匹配性。由于以上特点,该新型固态电解质与磷酸铁锂正极和锂金属负极组装的固态电池可以达到极高的电极材料负载量(25mg cm-2),并且在较广的温度区间内表现出良好的电化学性能。

11月中旬,有外媒报道,菲斯克(Fisker)的科研人员们为其柔性超高能量密度固态电池申请技术专利。菲斯克的固态电池采用了三维电极,其能量密度是锂离子电池的3倍。据该公司宣称,该技术使电动车的续航里程数达到500英里以上,而充电所需时间仅为1分钟,比在加油站的加油速度还快。据菲斯克预计,该技术的在汽车领域内的量产应用需要等到2023年以后。

10月底,丰田汽车公司副社长迪迪尔·勒罗伊称要在2025年前推出能够延长电动汽车续航里程的新一代电池“固态电池”。他还声称丰田公司正投入200多人进行开发。除了丰田,日立此前透露,目前已经将固态电池的样品送到了航空航天和汽车行业的潜在客户。

作为最有可能在短时间内代替动力电池的全固态锂电池,当前可达到的能量密度约400Wh/Kg,预估最大潜力值达900Wh/Kg。但是固态电解质具有高的电阻,在功率密度方面还存在一些待解决的问题,需要从固态电解质、正负极材料上着手,一旦这些问题能够有效解决,必将在未来掀起一场新的电池革命。

二、石墨烯电池技术

三星电子11月27日宣布,该公司研究机构三星综合技术研究院(SAIT)开发出了石墨烯电池新技术,在提高新电池容量扩大45%的同时,充电速率进步5倍,并能延伸电池应用寿命。SAIT对外宣称,如果现有锂电池需要1小时才能全部充满,而采用这项“石墨烯球”新技术后,便可缩短到12分钟。此外,还可以把温度保持在60摄氏度,新电池还有望用于电动汽车。

三星官方公布的“石墨烯球”图

7月中旬,中科院宁波材料所研究团队研制出基于石墨烯空气阴极的铝空气电池发电系统,该电池系统能量密度高达510Wh/Kg、容量20千瓦时、输出功率1000瓦。通过实际演示显示该电池系统可同时为一台电视机、一台电脑、一台电风扇以及10个60瓦的照明灯泡同时供电,初步验证了铝空气电池系统的发电供电能力。据介绍,目前以石墨烯基复合氧化物为催化剂的铝空气电池阴极中试生产实验线已经建成,未来可以批量生产上市。

2月21日,中国最早从事石墨烯技术研发的北京碳世纪科技有限公司召开石墨烯锂离子五号充电电池烯储霸王产品发布会。该款电池是中国首款石墨烯锂离子五号充电电池,与普通5号干电池、充电电池相比,该款电池优势明显,可循环使用3万次以上,能够在-45℃~60℃的环境下使用,这些性能都是普通电池所不能及的。最为重要的是,该款电池能够实现量产,产品发布也代表了正式投入市场。

石墨烯具有极强的导电性和耐用性,科学家正在寻找这种材料的多种应用方式,石墨烯电池就是其中的一个尝试。石墨烯电池是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种新能源电池。石墨烯的特点明显,如果用于新源汽车上,可以减少电池体积,使车身轻盈,大大提高续航里程;如果用于手机充电宝上,则可以大大提高输出电量;而通讯基站如果采用这种电池,优势也很明显,可以解决电池寿命难题。

三、新型高能电池技术

4月初,有消息报道,香港中文大学机械与自动化工程学系研发了一种高能量新型锌碘溴液流电池,能量密度达每升101瓦时,刷新了目前水系液流电池能量密度的纪录。研究团队预计这种电池可在5至8年内应用于电动汽车市场。

机械与自动化工程学系助理教授卢怡君介绍,水系液流电池是两种电解液通过离子交换产生电能,具有安全、环保、系统设计灵活、寿命长达数十年的特点,是一种极具发展潜力的新型储能系统。

卢怡君表示,这种新型储能系统具有能量密度高和循环性能兼备的特点,预计在5至8年内可应用于日益庞大的电动汽车市场。“电动汽车如果应用了这种电池,可大幅降低价格,行驶里程也更长。同时,这种电池更安全,不怕普通的碰撞,对电动汽车的安全性很有好处。”卢怡君说。

据悉,该项研究是香港中大五年研究计划“智能化太阳能技术:采集、存储和应用”的一部分,由30多位来自香港中文大学、香港理工大学、香港科技大学及香港大学学者共同合作,以提升太阳能发电的效能。团队自2014年起获香港特区政府研究资助局主题研究计划资助6033万港元。

尽管目前电池研发重心都在往固态电池研究的方向转移,但仍有部分研究团队继续深耕液态电池,通过对电池内部的电解液、负极材料、隔膜等电池内部的各种细节对电池进行改造。或许有人会认为液态电池始终比不上固态电池,但小编认为,不同电池研究都存在自身的优缺点,或许某一类新型电池特点相对突出,但其缺点同样明显,而且可能在短时间内无法克服。而相对比较成熟的电池类型,经过了较长时间的研究,通过材料改进等方式,在攻克了技术难题后,也是块好电池。不管黑猫白猫,抓到老鼠才是好猫。

四、 抗冻液化电池技术

在液态电池的研究之路上,香港中文大学并不孤单。美国加州圣迭戈大学选择深耕液态电解质的电池。

据媒体报道,加州圣迭戈大学的研究者们带来的抗冻锂电池,能够让电动车用户在零下60°C里放心地开电动汽车了。

在传统电池中,我们多数见到的是液态电解质:它们较为安全,同时成本低廉,适合大多数情况下的使用。但是对于科学家来说,液态电解质的研究已经达到了极限;不少人因此把目光转向固态电解质。

但是,孟颖教授(Prof. Shirley Meng)和她的研究团队却反其道而行之,使用氟甲烷和二氟甲烷液化气制作锂电池和超级电容器的电解质,将这两种设备的工作温度分别降低至零下60°C和零下80°C。孟教授及其研究组的论文已被发表在《Science》杂志上。

“液化气电池”的优点在于:新型电解质的使用也让电池装配了“自动开关”,电池温度过热,液化气电解质因无法析出离子从而将这个电池“关闭”,温度下降时才能再次“开启”。此外,还延长了传统锂电池的寿命。研究人员表示,与传统电解液反应的锂金属会在电极表面形成针尖状突起,在电极上形成分隔,造成充放电次数过少;而新电解质和锂金属的反应较少,并不会形成类似突起,因此延长电池寿命。

尽管加州圣迭戈大学的研究者们带来的抗冻锂电池所涉及的低温工作环境非常少见,尤其是对于电动车而言。但这些锂电池不仅能够让电动汽车的使用者在极端温度下更安心,还能够在天空中“大展拳脚”。有消息透露,他们下一步要实现锂电池在更低温度下(零下100°C)工作的目标,为火星探测,甚至木星、土星等深空探测装置提供全新供能技术。

五、新型锂负极电池技术

中国科学院物理研究所李云明博士、胡勇胜研究员等利用水热方法得到了一种硬碳微球,接着又利用棉花作为前驱体通过一步碳化法得到了一种硬碳微管,虽然硬碳具有优异的储钠性能,但是其高昂成本限制了产业化应用。接着他们提出在软碳前驱体沥青中加入第二相例如硬碳前驱体,利用二者之间的相互作用得到了一种无序度较高的非晶碳材料,并且这种复合前驱体具有较高的产碳率(60%左右),作为钠离子电池的负极材料,其展现了高达250 mAh/g的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。

3月初,他们在钠离子电池碳基负极材料上取得了突破,采用成本更加低廉的无烟煤作为前驱体,通过简单的粉碎和一步碳化得到了一种具有优异储钠性能的碳负极材料。裂解无烟煤得到的是一种软碳材料,但不同于来自于沥青的软碳材料,在1600 °C以下仍具有较高的无序度,产碳率高达90%,储钠容量达到220 mAh/g,循环稳定性优异。最重要的是在所有的碳基负极材料中具有最高的性价比。其应用前景也在软包电池中得以验证,以其作为负极和Cu基层状氧化物作为正极制作的软包电池的能量密度达到100 Wh/kg,在1 C 充放电倍率下容量保持率为80%,-20 ℃下放电容量为室温的86%,循环稳定,并通过了一系列适于锂离子电池的安全试验。

从硬碳微球材料到沥青软碳材料,再到裂解无烟煤提取软碳材料,从科学研究,无法商业应用,再到成本降低,在软包电池上通过安全验证……这里面凝聚的是我国科研人员的智慧结晶。低成本钠离子电池的开发成功将有望率先应用于低速电动车,实现低速电动车的无铅化,随着技术的进一步成熟,将推广到通讯基站、家庭储能、电网储能等领域。

六、 薄片式电池技术

根据报告显示,美国司机平均每天驾驶汽车行驶30英里(48公里),虽然电动汽车充电一次的续航相当于上述数字的3倍,不过还是有许多人不愿意购买。

这就是所谓的“里程担忧”问题,不过一个科学家团队试图化解这个问题。

德国工研院移动能源存储系统项目经理沃尔特与一个团队携手合作,正在研究一种新电池,它可以让电动汽车充电一次续航620英里(1000公里)。

该项目于3年前启动,当时德国工研院与同蒂森克虏伯系统工程、IAV汽车工程的研究人员聚在一起,讨论如何改进汽车锂电池的能源密度。他们将目光转向了流行的全电动汽车特斯拉,由此开始研究。

要达到让续航里程达到1000公里,有一个办法,那就是优化电池材料,让它存储更多的能量;此外,还有另一种办法,那就是改进系统的整体设计。

每一个电芯大约50%的空间被组件占据,比如外壳、正极、负极、电解质(一种液体,让带电粒子移动)。如果将电芯装进汽车需要的空间更大,因为要用线将电池与汽车的电力系统连接起来。这种设计浪费空间。于是科学家决定调整电池的整体设计。科学家剔除封装单个电池的外壳,用薄片式设计取代圆柱形设计。金属片上涂有能源存储材料,它是用粉末陶瓷和聚合物粘合剂制造的。金属片的一侧是正级,另一侧是负极。

研究人员将所谓的双极性电极一个一个堆叠起来,如同将一张张纸叠起来一样,电极之间用薄薄的电解液分开,里面还有一种材料防止电荷短路。然后科学家将叠起来的薄片封装,规格约为10平方英尺(1平方米),它的上部与下部与汽车电力系统连接。

研究人员的最终目标就是开发一个电池系统,空间大小与特斯拉汽车或者其它电动汽车的电池一样。在相同的空间内可以放进更多的电极,存储更多的电能。他们的目标是在2020年之前在汽车上测试系统。

特斯拉的Model S 100D安装100千瓦时电池组,续航里程约为335英里。电池组包含了8000个锂离子电芯,每一个都装在圆柱外壳中。通过改进锂电系统的整体设计,可在相同体积内实现更大的电池容量,提高电动车的续航能力。

这种设计方法对于目前的急需提高续航能力的车企来说,不失为一个好途径。因为相对于优化电池材料而言,改进锂电系统的整体设计相对简单,且能快速实现提高电池续航。

七、钛酸锂水合物电池技术

据外媒报道,清华大学、麻省理工学院及阿贡国家实验室共同发现了一系列全新的钛酸锂水合物,相较于Li2O–TiO2材料,其电化学性能较好。该物质应用于超长循环寿命且高倍率性能的锂离子电池,有效拓展了储能材料的研究范围,并提供了电极材料改性的新思路。

在35℃试验温度下,全新的钛酸锂水合物的比容量约为130mA·h/g,可在100秒内完全充满电并实现10000次充放电过程,每个充放电周期容量衰减为0.001%。据该团队透露,其发现了上述钛酸锂水合物,并优化了脱水纳米结构。

阿贡国家实验室电池科研人员指出,大多数情况下,对于非水锂离子电池而言,水是不利的物质。然而,对该款电池材料而言,结果却截然相反。

该研究团队采用各类先进的表征技术使材料受热,从而追踪器复合物及结构变化,如:X射线衍射。该技术由阿贡国家实验室旗下的先进光子源提供。

当分析综合表征特性时,该团队提升了材料的结构多样性并采用了纳米结构,其阳极材料捕获水可提升电池性能。

水在自然界内可谓无处不在,也是化学合成所需的常见原材料。该研究所采用的方法或将为探寻其他高性能电极材料开启新的大门,给更多的研究机构尝试不同材料提供了新的思路。

八、锰基钠离子电池技术

美国德克萨斯大学达拉斯分校与韩国首尔国立大学采用锰基钠离子材料共同研发出一款全新电池。该锰基钠离子材料材料或将降低电池成本,且生态环保性更佳,所制成的电池可供电动车使用。

随着制造商、用户对电动车需求的不断提升,锂电池产量很可能难以为继,无法满足不断增长的产品需求。据国际能源署(International Energy Agency)新近发布的报告显示,截止至2020年,全球电动车数量或将达到900万-2000万辆;截止至2025年,全球电动车数量或将达到4000万辆至7000万辆,届时电动车的实际数量视相关国家政策而定。

若采用钠材料,则有望减少电动车的电池成本,因为钠的价格相对较便宜,且储量富足,不过也同样存在一些弊端。

尽管钠离子电池的价格比锂离子电池便宜,但钠的能量密度要比锂低20%。而电池的能量密度则直接决定了电动车等设备的运行时间。

根据研究团队的设计,他们采用钠取代了阳极内占比最大的材料——锂,并用锰取代价格更为昂贵、储量更为稀缺的钴和镍。

他们宣称,自己研发设计的钠离子材料更为稳定,其电池容量可媲美锂离子电池,且该类电池具有可扩展性。为此,我们希望业内能采用这类新材料,并逐步实现商业化量产。”

基于对其他实验材料的物理特性及化学特性的深入研究,该研究团队采用了合理的原材料配比并攻克了上述技术难题。他们先采用了计算机模拟,进而测定了电池达到最佳性能时各原子的配置,然后在实验室内进行了大量的材料测试直至研发成功。

电池成本是个亟待解决的实质性问题之一,采用更廉价的锰基钠离子材料有望减少电动车的电池成本。尤其是在如今碳酸锂的储量不断减少,价格一路上涨的情况下,如何降低电池的材料成本,显得尤为重要。但能量密度降低的事实让人不得不正视。那么,面对这个问题,厂商是选择降成本还是降能量密度?或许锂电厂商选择期盼开发出成本低且能量密度的更高的材料。一旦这样的材料研发成功,将带来锂电行业的颠覆性变革。

九、海水电池技术

利用水力发电相信大家听得多,不过有没有想过海水可以发电呢?韩国蔚山国家科学技术研究所(UNIST)的研究人员近年集中研发一种海水电池,不但比锂电池更环保及更低成本,而且更可显著减少起火风险,目前研究团队正积极进行改良,并期待稍后可推出市场。

据了解,此海水电池研究项目的成员同时还包括韩国电力公司及韩国东西电力公司,两者将于2018、 2019年分别再投入30亿和20亿韩元,以便UNIST有足够经费可改良电池以供商业用途。由于海水电池用来发电的钠是地球蕴藏量第六丰富的元素,因此不但成本比锂电池更低,同时海水保持在热流体状态亦可降低起火风险,可以说是好处多多。

海水电池的运作原理与锂电池相似,充电时将钠离子储存于阴极,然后放电时钠与水及氧产生化学反应形成氢氧化钠,过程中会形成电能。研究团队目前正不断改良电池的几何形状设计,制作各种尺寸及形状的电池,希望将充电率提升至20Wh,如此一来有望取代锂电池成为新一代储能媒介。

从韩国对电池方面的研究力度极大。电池至于海水电池之所以仍未能投入商用,主要问题是海水电池的电力输出较低。试想如果能实现这种电池的商业应用,将是如何一种何种情况,几乎不要成本的海水,成本比锂电池低得多。同时亦可降低起火风险,提高电池的安全性能。

十、特殊电极材料技术

6月中,据外媒报道,俄罗斯国家研究型工艺技术大学节能中心的工作人员研制出了航天器高效热电发生器所需材料的经济快速的制作方法,这种材料可以直接将热能转化为电能,相关文章发表在《材料化学学报A》上。

科研小组成员、NUST MISIS节能中心工作人员将铟用作填充物,选择合适的金属初始配比,在开放式反应器内合成所需材料。通过这种方法,只需两分钟就可在开放式反应器内完成合成,退火需要5个小时。这种材料和合成的特点可使整个进程加快数十倍,从而降低所获材料的成本。

7月底,德雷塞尔大学的工程学研究员们改良了MXene材料,结合超级电容器与传统大容量电池的优点和特性,未来或能实现电动车的“近瞬态”充电。

MXene是一款扁平的纳米材料,由德雷塞尔大学材料科学与工程系的研究人员所发现,其外观酷似三明治,这种电极材料具有超高导电性。为使MXene的锂离子能自由移动,研究人员对其结构进行了一定的调整。研究人员将MXene与水凝胶相混合,改变了其结构,使锂离子能自由移动。

材料与信息、能源是现代文明的三大支柱。材料同样是锂电行业的支柱之一。只有更好的材料研发出来,并应用于锂电池中,才能使锂电池突破发展瓶颈。而每一代材料的突破都能给锂电池带来颠覆性的技术变革。新电极材料的突破或将解决长久以来一直困扰电动车市场的一大技术难题。

总结

新年将至,过去一年时间里锂电行业的技术也随着日月交替而悄悄发生着改变。有机构对电池整体设计的改进;有选择采用固态电解质的,也有的坚持深耕液态电解液的;有用复合材料作为正负极,也有考虑用单一金属元素;不管是昂贵的石墨烯,还是低廉的锰基钠离子,甚至用的成本可忽略的海水……不管采用什么技术,电池容量、寿命、安全性、成本等将成为长久话题,这也是电池技术持续发展的方向。


 
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