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鋰電池:�(chuàng)造一�(gè)可充電的世界
日期�2022.09.09 資訊來源:河北新聞網(wǎng) 瀏覽人次�10649
在武安市銀隆新能源�(chǎn)�(yè)�,技�(shù)人員在給一批新能源純電�(dòng)大巴做投放市�(chǎng)前的最后測(cè)��

近日�2022新能源汽車大�(huì)在北京召�,多�(xiàng)代表前沿趨勢(shì)的新能源汽車�(lǐng)域創(chuàng)新成果悉�(shù)亮相。環(huán)�、節(jié)�、不限行……盡管新能源汽車具備如此多的優(yōu)�(diǎn),但我們也�??吹?ldquo;高速上新能源車突然電量不足,無法堅(jiān)持到下�(gè)服務(wù)區(qū)”“多車等待一�(gè)充電�,排�(duì)4小時(shí)充電1小時(shí)”的新��

“充電樁數(shù)量少”“充電�(shí)間長(zhǎng)”“�(xù)航里程短”是新能源車主抱怨最多的三�(gè)�(diǎn),也是長(zhǎng)期制約新能源車發(fā)展的“三座大山”。如何翻越�“三座大山”?電池,成為科學(xué)研究和應(yīng)用市�(chǎng)普遍�(guān)注的焦點(diǎn)�

理想的鋰電池跑得�(yuǎn)、充電快、更安全

在科技高速發(fā)展的今日,鋰電池早已走�(jìn)了千家萬�,在電動(dòng)汽車�(lǐng)域,也成為市�(chǎng)占比最高的首選能源�

2019�10�,約�·古迪納夫�3位研究鋰離子電池的科�(xué)家榮獲諾貝爾化學(xué)�(jiǎng)�(shí),頒�(jiǎng)詞這樣描述:他們創(chuàng)造了一�(gè)可充電的世界�

�(dāng)你把手機(jī)放下,插上充電器,等待它“滿血�(fù)�”的時(shí)�,手�(jī)操作系統(tǒng)終可得到片刻寧靜與休憩。但在微微發(fā)熱的�(jī)身里,一�(chǎng)悄無聲息�“�(yùn)�(dòng)”正在展開�

“‘�(yùn)�(dòng)’的主體是鋰離��‘�’住電池正�,它們就像一群調(diào)皮的孩子,從‘�’�‘�’出來,一�‘�’�(jìn)電解��‘�’過隔膜中的小縫隙,順流而下來到�(fù)��”河北科技大學(xué)材料�(xué)院教授王波說,負(fù)極是它們的目的地,闖關(guān)成功的它們結(jié)交了新朋�,積攢了大量的能�,這便完成了充電過程。到�(dá)�(fù)極的鋰離子越�,儲(chǔ)存的電量則越�。當(dāng)拔下充電器的那一刻,鋰離子知道要�“�”�,它們與新朋友告別,原路返回,回�“�”�(shí)體力殆盡,這便是電池釋放電能的過程�

王波介紹,概括而言,鋰離子充當(dāng)了電能的“搬運(yùn)�”,周而復(fù)始地從正極至�(fù)極再至正極來回移�(dòng),在正、負(fù)極活性材料中�(jìn)行脫�,將化學(xué)能和電能相互�(zhuǎn)�,從而實(shí)�(xiàn)了能量的存儲(chǔ)與釋��

理想�,能夠應(yīng)用于新能源汽車的電池�(yīng)具備這樣三�(gè)特點(diǎn):第一,容量高,保證汽車跑得遠(yuǎn);第�,充電快,保證等待時(shí)間短;第�,穩(wěn)定性強(qiáng),保證上路更安全�

如此一�,科�(xué)家研究的目標(biāo)就很明確——研發(fā)新一�“大容�”“高倍率”“�(zhǎng)循環(huán)”的電池�

�1991年鋰離子電池商業(yè)化以�,作為鋰離子電池的核心組�,科�(xué)家�?cè)阡囯x子電池的電極材料方面展開了大量的研究工作�

�(jù)介紹,無論正極材料還是負(fù)極材�,理想的電極材料都應(yīng)該具備良好的脫鋰嵌鋰可逆�,較高的�(zhì)量比容量,平�(wěn)的氧化還原電位平�(tái),較高的電子電導(dǎo)�、離子電�(dǎo)率與鋰離子擴(kuò)散系�(shù)和良好的�(wěn)定性等�

“正極材料與負(fù)極材料的區(qū)別在于鋰離子嵌入的電位高�,嵌入電位較高者為正極材料,嵌入電位低的為�(fù)極材��”王波介紹,正極材料是鋰電池的核心材料,決定著電池的能量密�、電壓、使用壽命等多�(gè)核心性能,同�(shí)也是鋰電池材料中成本最高的部分,占鋰電池電芯總成本約為40%�

最早商�(yè)化的正極材料是鈷酸鋰,它同時(shí)也是歷史最久最成熟的鋰離子電池正極材料,至今都有著非常廣泛的應(yīng)��

然而鈷酸鋰不是萬能��“鈷酸鋰體系雖然能量密度高、比容量大,循環(huán)壽命和安全性較為可觀,但是穩(wěn)定性稍顯不�,且在高電壓工況條件下電池容量衰減較�(yán)重�”王波介紹�

隨后,科研人員又開發(fā)出了錳酸鋰體�。該體系由于鋰離子脫嵌前后結(jié)�(gòu)的穩(wěn)定�、循�(huán)性好,鋰離子循環(huán)后容量衰減緩�、毒性低,從誕生之初就被�(rèn)為是電動(dòng)汽車電池最理想的正極材�,然而該體系的電子導(dǎo)電率較低,極大地影響了電池的整體性能,逐漸淡出了鋰離子電池正極材料的舞�(tái)�

由兩種金屬構(gòu)成的正極材料無法很好地滿足需�,科�(xué)家們又將目光投向了三元材料�

“三元材料鎳鈷錳酸鋰是通過鈷酸鋰的摻雜制備而成,它的安全性比鈷酸鋰更��”王波說,三元材料在空氣中易氧化形成不�(wěn)定的表面,出�(xiàn)�(jié)�(gòu)缺陷和鎳鋰混排,使材料內(nèi)阻增�,電化學(xué)活性降低,�(chǎn)生晶間裂紋和微應(yīng)�,形成額外的絕緣�,增加材料阻�,使材料性能下降。因�,目前來看,三元材料的成熟商�(yè)化仍然有較長(zhǎng)的路要走�

讓負(fù)極材料更“�”�

鋰電池的�(fù)極材�,同樣是�(guān)鍵�

“�(fù)極材�,是用于電池能量的儲(chǔ)存和釋放,也是電池中重要的組成部��”王波介紹,它�(duì)于電池的首次循環(huán)效率、循�(huán)壽命、倍率性能和安全性能有著直接影響�

第一代鋰離子電池�(fù)極材料直接采用金屬鋰,但在充放電過程中容易產(chǎn)生枝晶。金屬鋰在長(zhǎng)�(shí)間充放電�,表面就�(huì)�(zhǎng)出枝晶�“這就像光滑的平面突然�(zhǎng)出千萬根�,可想而知這朵‘帶刺的玫�’最終可能會(huì)戳穿電池,造成短路,甚至引�(fā)爆炸�”王波介紹�

第二代負(fù)極材料采用鋰鋁合金解決了金屬鋰產(chǎn)生枝晶的問題,但材料在循�(huán)過程中體積變化大,材料主體易粉化脫落,循�(huán)性不��

第三代負(fù)極材料是采用層狀石墨碳材�,該材料在鋰脫嵌過程中電位接近鋰本身的電�,層狀�(jié)�(gòu)有利于鋰的嵌入脫�,大大提高了鋰離子電池的循環(huán)和安全性能。時(shí)至今�,大�(guī)模商�(yè)化的�(fù)極材料依然主要是石墨類碳材料和鈦酸鋰兩大類�

盡管石墨類碳材料和鈦酸鋰在商�(yè)化方面比較成�,但是這兩類材料都有一�(gè)固有缺陷——理論比容量都較低,這使得當(dāng)前鋰離子電池的能量密度還不能滿足�(dòng)力電池的更高要求�

新型電池路在何方�“�(fù)極材料仍然是‘賦能’的關(guān)��”王波��

前不�,中科院深圳先�(jìn)技�(shù)研究院研究員唐永炳團(tuán)�(duì)研發(fā)了一種新型鋁基復(fù)合負(fù)極材�,通過與商用鋰離子電池正極材料匹配,針�(duì)不同�(yīng)用場(chǎng)�,成功開�(fā)出了新型錳酸�、磷酸鐵鋰和三元電池等產(chǎn)��

“我們開�(fā)的電池產(chǎn)品除了耐熱抗凍的特性以�,還具有高安全、長(zhǎng)�(xù)�、快充和低成本的�(yōu)�(shì)�”該團(tuán)�(duì)表示�

在安全性能方面,常�(guī)鋰電池隨著不斷使用,�(nèi)部會(huì)�(chǎn)生鋰枝晶,既影響充電能力,還可能刺穿隔膜,帶來電池短路等隱患。而團(tuán)�(duì)開發(fā)的新型鋁基負(fù)極在低溫和過充條件下,能有效緩解鋰枝晶的�(chǎn)�,提高了安全��

在續(xù)航性能�,得益于鋁基�(fù)極材料高的理論容�,該電池能量密度較傳�(tǒng)鋰離子電池提升了13%—25%,能�(shí)�(xiàn)�(zhǎng)�(xù)�。此�,由于鋁基復(fù)合負(fù)極優(yōu)異的�(dǎo)電性能,產(chǎn)品還表現(xiàn)出不俗的快充性能�20分鐘即可充滿電,為半小時(shí)充電需求提供了解決方案�

在成本方�,基于鋁基復(fù)合負(fù)極的性能�(yōu)�(shì),并�(jié)合開�(fā)的高性能電解�,低溫電池產(chǎn)品可以擺脫對(duì)昂貴的納米級(jí)正極材料的依賴,將成本降�10%—30%�

目前,該技�(shù)已完成了�(guī)?;慨a(chǎn)。統(tǒng)�(jì)�(shù)�(jù)表明,該技�(shù)�(guī)?;慨a(chǎn)的產(chǎn)品合格率�(dá)99.11%,過程各工序合格率均�(dá)99%以上。唐永炳�(tuán)�(duì)�,這是我國(guó)首款寬溫�、低成本、長(zhǎng)壽命的電芯產(chǎn)�,有望打破電池產(chǎn)�(yè)格局�

鋰電池會(huì)不斷迎來技�(shù)變革

隨著技�(shù)的�(jìn)�,鋰離子電池電動(dòng)汽車在里程、續(xù)航和安全性方面都有了較大的提��“未來,鋰離子電池充放電性能不斷提高,其在電�(dòng)工具�(lǐng)域的�(yīng)用將更加廣泛�”王波說�

作為�(dòng)力電池的核心原材��“�”一直有“白色石油”的美�(yù),是�(fā)展儲(chǔ)能和新能源汽車不可或缺的元素,重要地位堪稱電氣時(shí)代的石油�

�(yè)�(nèi)有分析認(rèn)�,正如石油開啟了化石能源�(shí)代,鋰電池或許將引領(lǐng)新的能源革命�

那么,鋰電池真能取代石油�?王波認(rèn)�,鋰電池之所以被拿來與石油做比較,歸根結(jié)底在于新能源汽車和傳�(tǒng)燃油車的�(duì)��

�(dāng)�,在全球碳中和浪潮下,新能源汽車行業(yè)迎來爆發(fā)式增�(zhǎng),部分傳�(tǒng)車企相繼停產(chǎn)燃油�。根�(jù)中汽�(xié)�(shù)�(jù),今年上半年,新能源汽車銷量連續(xù)6�(gè)月實(shí)�(xiàn)同比增長(zhǎng),即使是在國(guó)�(nèi)車市整體下滑�3�—5�,新能源汽車銷量依舊分別�(shí)�(xiàn)114.1%�44.6%�105.2%的大幅增�(zhǎng)�

“�(huán)保等因素已經(jīng)使新能源以及新能源汽車發(fā)展趨�(shì)不可逆轉(zhuǎn),主要國(guó)家和地區(qū)在諸多戰(zhàn)略新興領(lǐng)域的�(jìng)�(zhēng)�(shì)必愈演愈��”在業(yè)�(nèi)專家看來,未來鋰電池能夠在部分領(lǐng)域取代石油當(dāng)前的地位�“雖然在化�、制藥以及各種輕重工�(yè)�,石油的大宗原料地位仍然無可替代,但在交通領(lǐng)�,鋰電池作為�(chǔ)能手�,可以將其他綠色電能帶入其中�”

隨著越來越多�(guó)家加速發(fā)展新能源汽車,車企及制造商�(duì)鋰的需求量越來越高,鋰資源供應(yīng)短缺也引�(fā)了銷售價(jià)格不斷飆�。自今年初至6月底,國(guó)�(chǎn)電池�(jí)碳酸鋰現(xiàn)貨均�(jià)從最初的27.8萬元/噸漲�46.9萬元/��

那么,隨著鋰電池需求的激�,若鋰電池供�(yīng)無法自給自足,未來是否會(huì)出現(xiàn)“鋰電池危�(jī)”��

“鋰電池未來會(huì)不斷迎來技�(shù)變革。比如鈉離子電池、鉀離子電池等技�(shù)路線成熟�,可能會(huì)逐步減少電池�(duì)鋰元素的需求和用量,甚至取代鋰電池。而石油作為化石能源是無法變革的。因�,出�(xiàn)‘鋰電池危�(jī)’的可能性很��”王波表示,當(dāng)�,研究人員仍然在為研�(fā)更好的電池不斷探�,期望鋰電池未來能更好地為人類的美好生活助力�


免責(zé)聲明:本文僅代表作者本人觀�(diǎn),與全球礦產(chǎn)資源�(wǎng)無關(guān)� 文章�(nèi)容僅供參考,不構(gòu)成投資建�。請(qǐng)讀者僅作參考,并請(qǐng)自行承擔(dān)全部�(zé)��
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