探讨锂电的安全、成本和发展

目前来看，锂电池有诸多好处。相比其他电池技术，锂电池更安全、能量密度更高，价格也在可接受范围之内。随着电动汽车的兴起和新型电动交通的应用，锂电池的成本还在持续下降。锂电池已经成为电动交通与储能产业的主流技术。不过，其他电池技术，如燃料电池、液态电池等，仍有一定的发展空间。

Q

据您研究，锂电池的主要优势是什么？

A

我认为锂电池的优势很明显。它寿命长、体积能量密度和重量能量密度大、高电压输出，因此功率也相对较高。另外，电动汽车行业带来的规模经济也在推动锂电池成本不断降低。

Q

尽管锂电池具备这些优势，但还是有人关心它的成本和安全问题。对此，您怎么看？

A

随着终端市场应用的急剧扩大，锂电池成本的下降空间也很大。锂电池的安全性不仅依赖于电池类型，还依赖于电池管理系统、模块和包装设计、热管理和应用类型等一系列问题。

不管锂电池能否成为电动交通的终极解决方案，现代锂离子技术都将对那些具有电池需求的产业产生革命性的影响。尤其是那些对电池温度与充放电强度需求较低的产业。如应急电源UPS、辅助储能以及其他完善的电源系统等。

Q

您对锂电池应用于移动网络有何期待？

A

电池已应用于电信行业多年，更好的性能和更低的成本是我们永恒的追求。锂电池完全符合这方面的诉求，未来五到十年，锂电池的成本将快速下降。

现代锂电池因其寿命长、功率密度高、能量密度高等特点，可助力通信能源系统为移动网络提供更广泛的服务，并减少5G时代基础设施的优化成本。

在移动网络中，锂电池通过市电削峰特性更好地帮助高功率的5G设备投入使用。此外，锂电池充放电C率高，可快速充电。锂电池可混搭现网的铅酸电池，避免传统方案下旧电池整组替换的高成本。

当然，在移动网络中，使用锂电池还需满足一些前提条件。如电芯质量一致、寿命长、合理的高充放电C率、热管理监测、通过电池管理系统进行电池健康与安全监控等。

Q

5G时代即将到来。5G部署时，基础设施侧可能存在哪些挑战？

A

随着对微基站要求的提高和对现有站点功率需求的增加，5G网络的能耗将是现有的两倍。大家知道，5G基站应用场景主要在城区，因此对5G基站的占地要求也将更严格。因此，由于能耗增加，降低运营成本变得至关重要。

现代的可再生能源解决方案，如太阳能和电池储能，可以帮助解决这些问题。

Q

锂电池在帮助运营商快速部署5G网络方面的优势或重要特性是什么？

A

锂电池技术在5G网络部署中扮演着非常重要的角色。它以合理的价格对电网提供高功率补偿，同时占地面积小。它可以避免因5G高功率需求而安装额外的输电线缆。

另外，5G的高功耗需要更好的散热模块和高效的电源系统支撑。

 

圈重点

锂电目前成为能源界的“流量”红人着实当之无愧，它性能更强，寿命更长。对比传统储能系统，立足于站点全生命周期，锂电的投资实际上更低，性价比也更高。更何况，随着电动汽车行业带来的规模经济快速发展，锂电池成本还具备非常大的下降空间。本课题组以锂离子脱嵌化合物为正极活性物质，金属锌为负积，以锂离子和锌离子水溶液为电解液，研发出一种全新的锌基锂电池体系。其充放电机理如图1。充电时，锂离子从正极活性物质中脱出，同时锌离子沉积在负极金属锌表面。放电时，锂离子则从水溶液中插入到正极活性物质晶格中，而负极的锌离子重新溶解到水溶液里。不同于传统锂离子电池“摇椅式”的充放电机理，这个体系中锂离子仅在正极发生脱嵌反应，避免了负极锂脱嵌造成的水分解，显著提高了电池的循环寿命。另外，采用金属锌作为负极能够增加电池的能量密度，同时也降低了生产成本。作为一种高安全，无污染，长寿命的新型储能体系，锌基锂电池在不间断电源，风能/太阳能存储，野外备用电池的等领域有着极强的应用前景。本文针对锌基锂电池体系，主要从正极材料的选择与优化，电解液的适配，锌负极的修饰等方面总结了近几年我们课题组的优秀研究成果，并对这一储能体系存在的问题，以及相应的解决方案加以整理和展望。

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正极材料的选择与优化

锌基锂电池的正极活性物质必须要能反复地脱嵌、嵌入锂离子，并且脱锂和嵌锂电压要低于氧气析出电压来确保水电解液的稳定。同时，为了提高能量密度，提高锂的脱嵌电压同样重要。2012年， 本课题组Yan等首次报道了尖晶石LiMn2O4可以用作锌基锂电池的正极活性物质。3配合锌负极，组装的锌基锂电池平均电压可达到2.1V。而采用掺杂型LiMn2O4能够进一步提高电池的循环稳定性，在连续充放电4000次后，仍然能有95%的容量保持率（图2）。另外，这种锌基锂电池的能量密度可以达到35Whkg-1, 与铅酸电池相当（30 Whkg-1）。对LiMn2O4的掺杂可以有效抑制活性物质中锰离子的溶解。将正极浸泡在PH=4的水电解液一周后，掺杂型LiMn2O4样品溶液中锰元素的浓度仅为1.722 mg/L,比未掺杂LiMn2O4低50%。

 

除了LiMn2O4外，磷酸锂盐也可以作为锌基锂电池的正极活性物质。Zhao等采用单斜晶Li3V2(PO4)为正极活性物质，开发了Li3V2(PO4)/Zn电池体系。5以Li2SO4和ZnSO4水溶液为电解液，这种锌基锂电池在0.2C倍率下能达到128 mAhg-1的容量，并且在循环200次后容量保持率在84%。在更高倍率下（2C）, Li3V2(PO4)/Zn电池容量依然能保持在62 mAhg-1，并且当倍率回到0.2C后，还是有118mAhg-1的高容量，显示出优异的充放电稳定性（图3）。Zhao还研究了Na3V2(PO4)正极材料。利用与Li3V2(PO4)相同的水电解液，Li3V2(PO4)/Zn电池在0.2C下容量为96 mAhg-。 Li3V2(PO4)，且200圈的库伦效率能保持在接近100%。5

 图3 LiFePO4/石墨烯复合正极锌基锂电池的循环和倍率性能

 

LiFePO4也是锌基锂电池理想的正极活性物质。Yuan等采用水热法合成了LiFePO4和石墨烯的复合物，并首次运用在锌基锂体系中。6LiFePO4为电池提供高容量（145 mAhg-1）,石墨烯为电子在正极中的传输提供快速迁移的通道。450圈循环后，LiFePO4/石墨烯复合正极容量保持率高达87.5%，且库伦效率保持100% （图3a）。在15C高倍率充放电下，电池的容量为40mAhg-1，表现出优异的倍率性能(图3b)。与LiMn2O4相比，LiFePO4具有更高的理论容量和更低的工作电压，因此在水系电池中有着光明的应用前景。

 

导电剂的选择也能够影响锌基锂电池的性能。Zhu等用碳纳米管完全取代导电炭黑，以LiMn2O4为正极活性物质制备了无粘结剂的新型复合电极（图4）。7高比表面积的碳纳米管为电子的快速传输提供了通道。在20C的高倍率下，组装的锌基锂电池容量有72mAhg-1,并且在300圈循环后容量依然高达90 mAhg-1。

 

碳纳米管与乙炔黑复配，也能大幅提高正极的循环稳定性。Zhu等采用简单的机械混合方法，制备了多级结构碳纳米管-乙炔黑复合材料。8受惠于碳纳米管-乙炔黑相互堆叠形成的三维导电网络，以这种材料为导电剂的LiMn2O4正极表现出优异的电化学性能。300圈后的容量依然有92mAhg-1,远大于乙炔黑/LiMn2O4正极（60mAhg-1）。10C高倍率下容量达到105mAhg-1。

 

基于Jahn-Teller效应，在循环充放电的过程中，LiMn2O4的结晶结构很容易发生畸变，从而堵塞锂离子传输的通道。另外，石墨导电剂在充放电时也很容易被氧化，使电子的迁移受阻。这两方面同时作用，会大幅降低LiMn2O4正极的循环稳定性，导致容量的快速衰减。针对这一问题，Zhi等采用Langmuir-Blodgett方法，将石墨烯贴附在正极极片的表面，形成一层超薄人工固体电解质界面膜（SEI，图5a）。9这一层人工SEI能够同时抑制Jahn-Teller效应以及碳的表面氧化，使LiMn2O4和石墨的微结构在反复充放电过程中最大程度保持稳定。常温循环600次后，以这种人工SEI膜修饰的正极组装的锌基锂电池容量保持率达到87%。更重要的是，在60°C高温下，循环100圈后电池的容量依然能保持在70%以上，从而能够符合高温野外作业的要求。人工SEI的制备，为设计长寿命储能体系电极提供了非常重要的研究思路。