锂电池是怎样组成的？组成它的常见材料有哪些？
来源：宝鄂实业
2019-04-22 22:03
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清洁能源转型需要创新能源、创新技术和投资策略的共同发展。深脱碳能源系统研究平台需要材料科学在电池技术上取得进展，从而克服风能和太阳能发电间歇性的挑战。同时，旨在促进电池储能市场增长和创新的政策，可以补充削减一整套清洁能源技术的成本。进一步整合研发和部署新的存储技术，为高效低耗能电力开辟了一条明确的道路。在这里，我们使用一个双因素模型来分析部署和创新，该模型综合了材料创新投资和技术部署的价值，并从一个涵盖电池存储技术的经验数据集中进行了分析。在电池储能互补发展和可再生电力来源对改善脱碳是极其重要的。我们找到一个可行的路径以平均1美元每瓦太阳能和100美元每千瓦时电池存储，使风光储的组合直接与以燃煤为基础的电力供应相竞争。
预测未来的储能价格
将双因素模型应用于业内顶级专家的近期生产预测，并假设专利活动维持在近五年(2011-2015年)平均水平的高度，乐观估计消费电池价格在2018年可降至100美元/kWh以下。图2和表1给出了各类电池的价格趋势(见上篇)。该预测是基于25年的观察结果，尽管样本很少，但它代表了这个新生市场中最有效的信息。因为专利数遵循随机泊松过程，未来的专利活动和生产水平都会变化，因此我们补充了一个详细的敏感性矩阵。因为过去旧专利的影响力远低于新专利，我们也专利时效和知识贬值的因素考虑了进去。我们发现成本的下降低于文献对于目前的预测，该文献曾发现了对电动汽车电池成本下降的低估。我们用“四因素”模型考虑原材料价格，控制锂和钴原料价格的影响，我们发现这一模型的学习率略低(14.82%)，并将更多的价格下降归功于创新而不是部署。然而，原材料价格对电池成本的影响可能不像钢铁价格对风力发电那样至关重要。因为尽管锂和钴是阴极的重要组成部分，但锂电池是由多种材料组成的。同时在“四因素”模型中对原材料价格的控制(P<0.16)并不像两因子模型(P<0.001)那样具有统计学意义。无论如何，随着新材料创新的发展，可持续性方面的标准对未来的发展都有指导意义。双因素模型的一个潜在偏差可能是补贴的下降，这些补贴通常是专属的而且很难预测。该领域的进一步研究将极大地解决技术和政策创新研究方面的差距。
此次研究中，斯坦福团队对Na2C6O6电池的机理进行了非常深入的探索。他们通过对原子层面的作用力进行细致的分析，成功揭示了这种材料实际电量低于理想电量的奥秘：原来，在钠离子与电极结合和脱嵌的过程中，只有当材料经历可逆的相变化时，才有可能让4个钠离子都参与反应。而在之前的研究中，材料未经特殊处理，只会经历不可逆的相变化，导致参与反应的钠离子数量达不到4个，因此低于理想能量密度。
在搞清楚原理之后，他们通过减小活性粒子的体积、选择合适的电解液，成功地将不可逆的过程转化为可逆过程，从而让Na2C6O6电池的可循环电池容量提高到了接近于理论上限的484mAH/g。而且，最大电池容量的下降速度也较原先显著降低，阴极能量转换效率更是达到了87%。
这是目前为止，钠离子电池阴极材料研究领域取得的最佳成绩，具有着重大的突破性意义。他们让钠离子电池第一次在实现了高能量密度的同时，基本实现了循环稳定性的目标。又由于使用了廉价的钠和肌醇，且能量密度显著高于锂电池，研究人员宣称，这一电池的成本有望控制在同等电量锂电池的80%不到，可谓是巨大的进步。
充电前（左）的Na2C6O6纳米颗粒，在充分充电后可以结合大量的钠离子（右）
然而，这只是一个初步的研究成果，离实际应用依然有一定的距离。
首先，鲍哲南团队只是初步解决了阴极材料的循环寿命问题。在经过50次循环之后，Na2C6O6电极的容量已经下降了约10%。虽然相比于之前的研究而言，这已经是非常了不起的成绩了，但离实际使用中数百次循环的要求还有一段距离。
其次，他们还尚未对可以产业化的阳极材料进行研究。对于钠离子电池来说，阳极材料的研究同样困难重重。尽管研究团队信心十足，但由于钠离子比锂离子要大得多（直径比锂离子大了约50%），所以无法被常用于制造锂离子电池阳极材料的石墨吸收。到目前为止，还没有效果足够好、价格也低廉（比如石墨）的阳极材料被研究出来。而这也会是团队未来的研究方向，MinahLee介绍到，此次研究显示，磷是一个很好的候选材料，但是大量生产仍有困难，所以他们也在努力探索如何以更简单的方式处理这种材料。
对于团队的下一步工作，MinahLee透露：“目前，我们的全电池能量密度受到阳极的限制（较高的工作电位），因此我们正在努力制造更好的阳极。”
成本低于锂离子电池的钠离子电池将有望用于储存风电、太阳能等发出的不稳定的电力，从而让其摆脱“弃风”、“弃光”的束缚
总之，这是一个已经取得了重大突破、但离工业应用还比较遥远的技术。不过，任何技术在最早期的时候都是十分稚嫩的。同样是材料科学领域的创新，现在已经十分普及的硬盘，在最早取得技术突破、实现MB级别数据储存的时候，其总重约1吨。但正是这个与便携沾不上一点边的“巨兽”，奠定了如今容量动辄数个TB（1TB=1024GB）、却只有口袋大小的移动硬盘的基础。很有可能，现在看上去依然初级的Na2C6O6材料，正是未来大规模电网级别电力储存技术具有奠基意义的先声。
预测未来的储能价格
将双因素模型应用于业内顶级专家的近期生产预测，并假设专利活动维持在近五年(2011-2015年)平均水平的高度，乐观估计消费电池价格在2018年可降至100美元/kWh以下。图2和表1给出了各类电池的价格趋势(见上篇)。该预测是基于25年的观察结果，尽管样本很少，但它代表了这个新生市场中最有效的信息。因为专利数遵循随机泊松过程，未来的专利活动和生产水平都会变化，因此我们补充了一个详细的敏感性矩阵。因为过去旧专利的影响力远低于新专利，我们也专利时效和知识贬值的因素考虑了进去。我们发现成本的下降低于文献对于目前的预测，该文献曾发现了对电动汽车电池成本下降的低估。我们用“四因素”模型考虑原材料价格，控制锂和钴原料价格的影响，我们发现这一模型的学习率略低(14.82%)，并将更多的价格下降归功于创新而不是部署。然而，原材料价格对电池成本的影响可能不像钢铁价格对风力发电那样至关重要。因为尽管锂和钴是阴极的重要组成部分，但锂电池是由多种材料组成的。同时在“四因素”模型中对原材料价格的控制(P<0.16)并不像两因子模型(P<0.001)那样具有统计学意义。无论如何，随着新材料创新的发展，可持续性方面的标准对未来的发展都有指导意义。双因素模型的一个潜在偏差可能是补贴的下降，这些补贴通常是专属的而且很难预测。该领域的进一步研究将极大地解决技术和政策创新研究方面的差距。
此次研究中，斯坦福团队对Na2C6O6电池的机理进行了非常深入的探索。他们通过对原子层面的作用力进行细致的分析，成功揭示了这种材料实际电量低于理想电量的奥秘：原来，在钠离子与电极结合和脱嵌的过程中，只有当材料经历可逆的相变化时，才有可能让4个钠离子都参与反应。而在之前的研究中，材料未经特殊处理，只会经历不可逆的相变化，导致参与反应的钠离子数量达不到4个，因此低于理想能量密度。
在搞清楚原理之后，他们通过减小活性粒子的体积、选择合适的电解液，成功地将不可逆的过程转化为可逆过程，从而让Na2C6O6电池的可循环电池容量提高到了接近于理论上限的484mAH/g。而且，最大电池容量的下降速度也较原先显著降低，阴极能量转换效率更是达到了87%。
这是目前为止，钠离子电池阴极材料研究领域取得的最佳成绩，具有着重大的突破性意义。他们让钠离子电池第一次在实现了高能量密度的同时，基本实现了循环稳定性的目标。又由于使用了廉价的钠和肌醇，且能量密度显著高于锂电池，研究人员宣称，这一电池的成本有望控制在同等电量锂电池的80%不到，可谓是巨大的进步。
充电前（左）的Na2C6O6纳米颗粒，在充分充电后可以结合大量的钠离子（右）
然而，这只是一个初步的研究成果，离实际应用依然有一定的距离。
首先，鲍哲南团队只是初步解决了阴极材料的循环寿命问题。在经过50次循环之后，Na2C6O6电极的容量已经下降了约10%。虽然相比于之前的研究而言，这已经是非常了不起的成绩了，但离实际使用中数百次循环的要求还有一段距离。
其次，他们还尚未对可以产业化的阳极材料进行研究。对于钠离子电池来说，阳极材料的研究同样困难重重。尽管研究团队信心十足，但由于钠离子比锂离子要大得多（直径比锂离子大了约50%），所以无法被常用于制造锂离子电池阳极材料的石墨吸收。到目前为止，还没有效果足够好、价格也低廉（比如石墨）的阳极材料被研究出来。而这也会是团队未来的研究方向，MinahLee介绍到，此次研究显示，磷是一个很好的候选材料，但是大量生产仍有困难，所以他们也在努力探索如何以更简单的方式处理这种材料。
对于团队的下一步工作，MinahLee透露：“目前，我们的全电池能量密度受到阳极的限制（较高的工作电位），因此我们正在努力制造更好的阳极。”
成本低于锂离子电池的钠离子电池将有望用于储存风电、太阳能等发出的不稳定的电力，从而让其摆脱“弃风”、“弃光”的束缚
总之，这是一个已经取得了重大突破、但离工业应用还比较遥远的技术。不过，任何技术在最早期的时候都是十分稚嫩的。同样是材料科学领域的创新，现在已经十分普及的硬盘，在最早取得技术突破、实现MB级别数据储存的时候，其总重约1吨。但正是这个与便携沾不上一点边的“巨兽”，奠定了如今容量动辄数个TB（1TB=1024GB）、却只有口袋大小的移动硬盘的基础。很有可能，现在看上去依然初级的Na2C6O6材料，正是未来大规模电网级别电力储存技术具有奠基意义的先声。
