锂离子电池的能量密度越来越高，使用范围就越广吗？
来源：宝鄂实业
2019-04-30 09:19
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传统的电子产品一般都是刚性的，无法被拉伸和弯曲，因此其应用范围也受到了限制。然而，柔性电子一改传统电子产品“僵硬”的形象，成为了电子产品前沿科技发展的一大重要趋势。凭借着可弯曲、可扭曲、可伸缩、低功耗、高舒适度、轻薄、耐用、便携等诸多优势，柔性电子技术与可穿戴技术等其他前沿技术交叉融合，为我们带来一系列应用，例如：智能手表、柔性显示器、智能织物、智能眼镜、皮肤贴片、传感器等。
然而，随着柔性可穿戴设备日益变多，这些产品的供电也成为了关键性问题。虽然笔者曾经介绍过一系列“无需电池”自供电技术，但是目前这些技术大多处于实验室阶段，离大规模商用尚有一段距离。然而，电池本身走向柔性化，也是解决这一问题的重要手段。笔者之前介绍过许多有关柔性电池的案例。例如，美国加州大学圣迭戈分校开发的可伸缩燃料电池可以从汗液中提取能量，为LED和蓝牙适配器之类的电子产品供电。
然而迄今为止，让锂离子电池同时具有良好的柔性和高能量密度，对于研究人员来说还是颇具挑战性的。
创新
近日，美国哥伦比亚大学工学院应用物理和数学系材料科学和工程专业助理教授 Yuan Yang 领导的团队开发的原型产品能够应对这一挑战。这种锂离子电池形状有点像人体脊椎，无论如何弯曲和扭曲，它都具有显著的柔性、高能量密度、稳定的电压。这一研究的相关论文发表于《高级材料》（Advanced Materials）杂志。
技术
Yang 的小组正探索研究电池材料的成分和结构从而实现高性能，他受到了仰卧起坐运动时人体脊椎的柔韧性启发。人体脊椎具有高度柔韧性、机械鲁棒性且可以扭曲，因为它含有了柔软的骨髓成分，并也可以与硬的椎骨部分互联。Yang 使用脊椎模型设计出一个具有相似结构的电池。其原型具有厚厚的刚性部分，可以通过将以薄薄的柔性部件（“骨髓”）缠绕电极（“椎骨”），将脊椎般的电极叠层连接到一起。他的原型设计让整个电池都具有了优异的柔性。
Yang 解释道：“因为刚性电极部件的体积显著大于柔性连接，这种柔性电池的能量密度高于标准商用电池的85%。因为整个结构中活性材料占有高比例，我们设计的这种脊椎般的电池显示出非常高的能量密度，高于任何我们所关注的其他报道中的柔性电池。因为我们受到生物启发进行了合理设计，所以这种电池也能够通过严苛的动态机械负荷测试。”
Yang 的团队将传统的正极/分离器/负极/分离器叠层剪成长条，让多个“分支”可以从“脊椎主干”上延伸出90度。然后，它们将每个分支沿着主干包裹，形成厚厚的叠层用于存储能量，就像脊椎中的脊椎骨一样。
无论如何弯曲或者扭曲，这种电池都显示出稳定的电压分布。同时多次循环后，电池仍具有稳定的容量。在循环之后，团队拆解了电池以检查电极材料的形态学变化。他们发现正电极完好无损，没有从铝箔上开裂或剥落的明显痕迹，从而确认了这项设计具有高机械稳定性。为了进一步展示这项设计的柔性，研究人员在放电期间持续地弯曲和扭曲电池，发现弯曲和扭曲都没有打破电压曲线。即使电池在整个放电期间持续地弯曲和扭曲，电压分布也保持完好。在弯曲状态下的电池也能以高电流密度循环，容量保持率相当高（三分之一小时内电量可达84%）。
电池也能够经受得住持续的动态机械负荷测试，而这在较早的研究中没有报道过。
Yang 解释道：“我们脊椎般的设计比传统设计具有更高的机械鲁棒性。我们预计，采用生物启发的可扩展方案制造柔性锂离子电池，能大幅推进柔性设备的商用。”
Yang 表示：“我们原型的能量高密度是目前为止所报道的产品中最高的之一。我们已经开发出一种简单且可扩展的方案，用于制造这种脊椎般的锂离子电池，它将具有优异的电化学和机械特性。我们的设计对于第一代柔性商用锂离子电池来说，是非常有前途的候选方案。我们现在正在优化设计并改善性能。”国的新能源汽车补贴将逐步退坡已是不争的事实，车补新政对于新能源汽车的续航里程、动力电池密度等因素考核也将越发严格。
网传的补贴新政显示：2019年电动乘用车电池能量密度，门槛将从120wh/kg提高到140wh/kg，160wh/kg以上补贴倍率为1.1倍，180wh/kg以上为1.2倍。
于是为了能够继续享受未来的补贴，车企、电池企业开始不遗余力地在续航里程、动力电池能量密度上不断加码。
各路企业争先恐后，电池企业加大研发投入，通过改进正负极材料、隔膜、电解液等原材料体系及优化PACK结构等来提升电芯及电池系统能量密度的新闻不绝于耳。
诚然，不断攀登能量密度新高度在打破新能源汽车续航里程这一关键掣肘的同时，也在推动着整个电池行业技术水平的进步。
01
都在追求动力电池高密度！
提起动力电池企业不得不提宁德时代和比亚迪。作为中国动力电池装机量前两强，合并市场份额超过六成。这两家的能量密度水平，基本上决定了全行业的水平。
宁德时代
今年6月在青海锂产业与动力电池高峰论坛上，宁德时代副董事长黄世霖表示，2018年宁德时代电池系统能量密度要做到160Wh/kg，预计2020年将超过180Wh/kg。
而根据这份宁德时代产品路线图显示，2019年其电池包能量密度，正好就是180wh/kg。大有提前一年就能达到预期2020年的电池能量密度目标的态势。一旦2019补贴新政出台，那么宁德时代180wh/kg的电池包出现想必也不会让人太过惊讶。
再看比亚迪，今年广州车展上，唐EV600正式开启预售，其综合工况续航预计在450~500公里，比亚迪肯定会在这款车上用上最高能量密度电池。
据悉比亚迪在唐EV600上使用了NCM622电芯产品。有接近比亚迪的消息人士回应称，目前该款车辆系统能量密度超过160Wh/kg。比亚迪的电芯成组效率较高，接近80%。
比亚迪明年计划主推235Wh/kg的三元方形电芯产品，但具体应用状况如何，还将受到政策、市场等多方面因素影响。照此成组效率推测，比亚迪也可能达到180wh/kg的水平。
毕竟1.2倍的补贴倍率，谁不想要？
02
动力电池能量密度越高越好？
随着越来越多的电池企业在向动力电池高能量密度发展，同时也引发了行业不小的担忧——如果更高的能量密度意味着更多的补贴，那么会否因为追求能量密度而忽视了电池安全、寿命等其他重要指标？
至少在电池安全性方面，并不是能量密度越高越好，相反能量密度越高的电池，越不稳定。
【能量密度越高的电池越不稳定】
如上图所示，在动力电池能量密度超过150wh/kg时，电池能量密度越高，电池的稳定性就越差。不稳定当然就有安全隐患，是否可以换言之，电池能量密度越大安全隐患就越大呢？这需要专家们去佐证，而笔者只是提出自己的疑问。
因为这是电池原理的共性及特点，在其没有发生彻底改变的当下，我们短期能做的就是尽可能地提高电芯稳定性、安全性。
当然一块动力电池的安全性不能只归咎于能量密度，还与PACK层面（电池与环境）、系统层面与功能安全方面有关。因为今天咱们仅讨论电池能量密度问题，其他方面就不展开来说了。
03
一味追求电池能量密度带来的后果
根据公开资料整理发现，2018年上半年国内外共发生纯电动汽车起火事故10起，涉及车辆总数10辆。其中，国内起火事故8起、涉及车辆8辆，与去年同期持平。
而到了8月，即全年气温最高的一个月，光是国内电动车自燃事故就达到了12起，包括电动面包车、货车、公交、家用车等等，地点则是从长春到深圳横跨南北。
高温天，电池的热失控温度和安全性逐步下降，而且电池三元锂材料在达到一定温度的时候能分解释放出初生态氧，已经在内部具备了完整的燃烧要素，所以电池组即便没有暴露在氧气充足的外部条件下，一旦自燃后仍然能迅速蔓延并且难以扑灭。
看到这里，或许有人要说只要是能量体，就存在不安全因素。从道理上说，汽油比电池更不安全，但汽油车的安全性用户能接受，电动汽车的安全性用户为什么就不能接受？
因为电动汽车是要代替燃油车的，我们没有参与燃油车的发展初期，但有幸参与了电动车，特别是国内电动车的初始阶段，那么对它要求严格一点儿又有什么错呢？
我们最终的目的还是希望电动车能够有好的发展，其核心动力电池技术能够进步再进步！而所有技术的进步都必然也必须建立在安全的基础之上。
马曰：
现阶段，盲目追求动力电池能量密度并不现实，电池技术的瓶颈比已经非常明显，强行突破只会带来更多的事故。而电池行业发展应该兼顾速度和质量，速度、规模的扩张应该基于行业发展的现实需求。
应该基于对市场的理性判断，基于对材料技术的创新发展，而非企业盲目跟风。单纯为了补贴，不以安全性为前提，只求增大电池能量密度，增加续航里程都是不靠谱和无法持续性发展的行为。补贴诚可贵，安全价更高！
