长续航动力锂电池：新能源汽车的“未来芯”
来源：宝鄂实业
2019-03-18 10:00
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近日，有媒体报道，电动汽车制造商菲斯克(Fisker)刚刚申请了一项固态电池专利，这项专利使得电动汽车的续航能力提高到令人震惊的804公里，充电时间也缩短到一分钟。
在国内，动力电池作为发展电动汽车的核心部件之一，一直是电池领域研究的热点。在2016年启动的国家重点研发计划新能源汽车重点专项中，中国科学院物理研究所清洁能源实验室研究员李泓负责的“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”项目，旨在研发高能量密度、高安全性锂电池以提高电动汽车续航里程，项目提出的研究锂离子电池、半固态锂硫电池、固态锂空气电池三种长续航动力锂电池，或将成为我国新能源汽车的未来之芯。
挑战电池极限能量密度
“提高动力电池电芯能量密度达到400Wh/kg以上，将有利于显著提高电动汽车的续驶里程。以北汽EV200为例，400Wh/kg电芯，相当于800Wh/L以上体积能量密度。保持现有电池包体积和每吨百公里电耗不变，一次充电不仅可以续航620公里；还可以降低成本、延长使用寿命，解决目前电动汽车与燃油车性能之间的较大差异。”日前，李泓接受科技日报记者采访时说。
作为国家新能源汽车动力电池研发整体布局的一个重要环节，该项目的任务是在产业链最前端开发400Wh/kg以上能量密度的新型电池，积累高能量密度电池的关键基础科学问题的认识与关键技术，并为企业同步开发300Wh/kg电芯提供重要参考依据和指导意见。
“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”研发团队就是在该项目中承担挑战电池极限能量密度的任务。
量产电芯能量密度300Wh/kg可实现
记者从企业申报的公开研发方案中发现，对于300Wh/kg的锂离子动力电池路线，有项目团队选择了高镍正极和纳米硅碳负极。
“从最近的进展看，量产电芯能量密度达到300Wh/kg的技术指标可以实现。”李泓说。
在近期的新体系电池研究方面，“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”研发团队采用的富锂材料为正极，硅碳材料为负极的电芯能量密度达到了348Wh/kg，而以富锂材料为正极、金属锂为负极的电芯比能量达到573Wh/kg；锂硫电池比能量达到600Wh/kg；一次锂空电池比能量达到780Wh/kg。
“超过300Wh/kg的高能量密度电池的开发，负极含有金属锂是一个重要的共性技术。一些研究团队提出采用固体电解质或混合固液电解质，来解决使用或含有金属锂负极的电池面临的主要技术挑战。”李泓说。
中国科学院在2013年11月布局了中国科学院战略先导A类项目，该项目同时支持了固态电池的开发，其中三个团队分别在聚合物、硫化物和原位固态化技术方面取得了进展。
技术路线清晰但仍面临挑战
“目前开发生产的液态电解质锂离子电池的软包电芯中，一般液体电解质重量百分比为15%—25%，负极为碳、硅等。从长远看，未来需要发展全固态金属锂电池，负极含有金属锂，电池中不含任何液体。”李泓说。
虽然技术路线较为清晰，但目前面临很大的挑战。李泓说，从开发混合固液电解质电池和全固态金属锂电池产业来看，需要重点开发固体电解质和金属锂材料，解决界面离子和电子传输，以及体积形变、热稳定性问题。多数制造设备可以通过采用现有锂离子电池和一次金属锂电池产业的制造装备来实现。
此外，大规模生产金属锂电池的干燥房等生产环境控制技术也已经掌握。尽管开发混合固液电解质电池和全固态金属锂电池，还面临很多科学与技术的挑战，也包括控制成本方面的挑战。
对于电池技术的描述，一般有质量比能量和体积比能量两种说法：1质量比能量，就是单位质量下电池所携带的能量的多少，比如电动车、电动汽车市场对于电池的理解，多是以单位质量比能量去描述的。2体积比能量，一般指电池单位体积下所承载的能量值。目前主流手机电池的容量在2000~3500mAH，这样的容量的电池，其质量往往只有几十克，所以在移动消费级市场中，更关心的是电池的体积大小。
目前的科技发展来看，手机芯片可以轻轻松松的做的更小，就摩尔定律简单来说，就是每隔几年晶体管都会变得更小，让芯片能够容纳更多，从而提高处理能力。但电池领域却不是这样。“在微处理器领域，一切都只为了把东西做得更小。但到了锂离子电池，如果你想提高能量密度，换句话说就是增加手机的续航时间，那你就必须要从根本上改变电池里的材料。”这当然不会是“那就换材料呗”那么简单，因为内部材料组成的平衡哪怕有一点不对都可能会导致严重的问题。
三星GalaxyNote7的爆炸事件震惊了整个业界，这也让人们在研究时变得更加小心翼翼，更重视每一步的测试。业内人士透露说此前许多厂商都开始抱有侥幸心理，想要强行推进电池能量密度的增长。三星电池事件是一个警醒，迫使所有人的节奏都慢了下来——当然了，注意安全肯定是一件好事。
回顾十年手机电池的发展，大概可以分为三个阶段。
第一个阶段，锂离子聚合物电池的兴起。
传统的锂离子电池使用的是普通液态锂电解质，但缺点是体积大，电能转化率低。像老一代大块头摩托罗拉，电池大小就占手机厚度的二分之一，虽说那时候的手机待机两三天也没问题，但那时候的手机是1.4英寸的灰度屏幕,才96×65像素点。在2005年以后，聚合物电解质的锂离子电池开始崭露头角。相对于之前的液态锂离子电池来说，聚合物锂离子电池除了在电化学特性上更有优势外，更重要的，是塑型更加灵活，能让电池做的更薄，体积利用率更高。
第二个阶段，手机电池的稳定期。
2010 年以前，尤其是2007年以前，锂离子聚合物电池的兴起让手机电池容量有了长足的提高。但是随着技术的成熟，电池比能量提高的速度开始减缓。更重要的是，随着电池能量的加大，安全问题开始浮现在我们眼前。很多厂家开始着眼于提高电池的安全性指标，在电池的外壳防护上下了一些功夫。虽然不能提升电池的能量密度，但是在长期发展来看，还是必要的。因为能量密度增加，出现问题的损失也会越大。
第三个阶段，手机电池的第二次能量密度提升。
到 2013年以后，手机电池开始有一次的提升了能量密度。这里面有材料的原因，电池厂家通过改善工艺，提高了材料的压实密度，或通过其他的手段，让电池的容量有了进步。同时，继iphone之后，市场上手机电池变得不可拆卸。通过电池和手机的“一体化”，省去了原来电池的硬壳保护，提升了电池的能量密度，或者根据电池结构，开发异型电池等。除此以外，更直接的一种方法，是提高电池的电压。普遍的，通过将电压平台提高0.1V左右，提高电池的能量。目前，主流的手机电池能量密度保持在600Wh/L左右，有些厂家的产品会稍微高一些，比如小米手机，电池能量密度在620Wh/L以上，但受限于技术电池的能量密度也是有临界点的。曾有报道说，当能量密度达到700Wh/L的时候，可能使电池的可充分循环寿命小于300次，爆炸的隐患大大增加。
