新型固态铝离子电池可替代锂离子电池吗？
来源：宝鄂实业
2019-03-27 10:40
点击量：次
私人、公共和商业运输(汽车、公交车、卡车)等电动汽车对电池需求不断增加，因而人们开始研发铝离子电池以满足需求。而电动汽车需要大量的电力才能正常运行，因而对电池产生了高要求，导致电池必须能够进行快速、剧烈的电化学反应，以驱动外部电力(如电机、电子设备等)。但是此类反应反过来会对电池造成很大的机械压力和热应力。而目前的电池技术使用液体作为电解质，此类介质有助于将离子从一个电极传输至另一个电极，但是此类电解质由有机分子组成，极易燃烧和挥发。因此，导致电动汽车电池由较高的爆炸、起火、排气或故障的安全风险。
美国雪域大学(Syracuse University )的侯赛因研究小组(Hosein Research Group)研发出一种新型固体电解质，用以替代目前铝离子电池中的液体电解质，使其能够满足汽车等高需求应用。该电解质由一种非常柔软的聚合物和一种非常坚硬的环氧树脂组成，聚合物也让铝离子渗透，而环氧树脂提供了热稳定性和耐久性。该聚合物通过溶解铝盐(如硝酸铝)到聚合物基质中转化为铝离子电解质。
目前，侯赛因研究小组正积极致力于实现全固态铝离子电池的制造，该电池的包括电解质在内的所有组件都是固态，将帮助将铝离子电池纳入汽车等高需求应用中。
铝离子电池是很有前景的下一代电池技术，可以满足未来的能源输送需求，结构与锂离子相同，只是锂被铝所取代了。铝是地球地壳中第三丰富的元素，也是非常廉价的锂金属替代物。由铝制成的电池具有最高电压，可存储最多能量，并且提供最高电流，其存储容量是锂离子电池的4倍，而且携带的电荷是锂离子电池的3倍。
而锂只占地球地壳的0.7%，人们越来越担心锂离子电池能否满足全球日益增长的需求，而且其不断上升的成本以及高度稀缺性也迫使人们开始寻找和研发更可行的替代方案。铝离子电池可能就是后锂离子电池时代的下一代存储技术。
通常来说，锂离子电池由正极、负极、隔膜、电解液等部分组成，无论是最初的镍氢电池、锰酸锂电池、后来的磷酸铁锂电池，还是如今已广为人知的三元锂电池（镍钴锰和镍钴铝），说的其实都是电池的正极材料，对电芯能力密度影响最大的就是它。
所周知，磷酸铁锂电池在能量密度方面的提升空间已非常有限，不提升能量密度，就无法提升电动车的续航里程。于是，动力电池的生产企业已经开始由磷酸铁锂电池全面倒向三元锂电池的优化升级，但从长远来看，这些方式都很难让三元锂电池的能量密度突破300Wh/kg。那么，这个行业内普遍认同的研发瓶颈出现后，应该如何捅破天花板完成未来目标呢？（2020年350Wh/kg，2025年400Wh/kg，2030年500Wh/kg），下面就轮到固态电池登场了！
使用固态电解质的锂电池可以摆脱石墨材料的束缚，转而去采用金属锂作为负极，使得整个电池系统的能力密度大大提升。从现在的试验数据看，300-400Wh/kg能量密度的全固态电池已经不在话下，有人预测未来达到900Wh/kg也不是没有可能。更重要的是，固态电池可以在更高温（可长期在60-120°C温度下）、更大电流、更高电压下工作，较液态电解质锂电池应用范围更加广泛。
正因如此，尽管目前全固态电解质的成本非常昂贵，但全球各大相关企业、研究机构都纷纷将固态电池技术作为重要研发方向。
而就在上周末举行的“2018中国电动汽车百人会论坛”上，新兴固态电池的开发同样成为关注的焦点。
就连工信部部长苗圩也在致辞中强调，在我国新能源汽车发展的下一步工作中，要“重点攻克下一代锂电池和固态电池等新体系电池的关键核心技术”。他强调，“我们2020年单体电池要做到350瓦时每公斤，模组要做到260，这个还是蛮有挑战的。（我们要）提升正向设计开发的能力，不断提高整车的轻量化和智能化水平，努力使整车性能达到甚至超过燃油汽车。”
其实，正如中国电动汽车百人会执行副理事长、中国科学院院士欧阳明高评价的那样，“2017年是固态电池最火热的一年”。
据欧阳明高介绍，“日本在无机硫化物固态电解质方面取得重要突破，丰田公司出台固态电池量产计划，在2022年实现商品化。”
2017年10月，丰田汽车公司副社长迪迪尔·勒罗伊宣称要在2025年前推出新一代电池“固态电池”，其能大幅增加电动车续航里程。他表示，丰田公司正投入200多人进行开发，并强调丰田在固态电池方面的专利为世界第一。去年底，宝马宣布与电池技术公司SolidPower建立新的合作关系，目的正是进行固态电池的研发，以用于商业化电动汽车的搭载。
而日立公司也宣布其固态电池技术已经研发完成。“公司现在就可以提供与当前锂离子电池相同性能的固态电池，能更好的处理温度变化，拥有更长的循环寿命。”日立佐森总裁Takashi Tanisho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。”
与此同时，我国国家电池创新中心和中科院物理所在减缓富锂锰基固溶体材料衰减、北京大学项目团队在开发新结构的富锂正极材料等项目上也取得了不同程度的进展，欧阳明高表示：“大家知道三元811正极比容量只有210毫安时/克，现在新结构富锂正极材料已经做到400毫安时/克，这为实现锂离子电池500瓦时/公斤的目标提供了可能性。”
