環(huán)球即時(shí)：新知｜鋰電池：創(chuàng)造一個(gè)可充電的世界

在武安市銀隆新能源產(chǎn)業(yè)園，技術(shù)人員在給一批新能源純電動(dòng)大巴做投放市場(chǎng)前的最后測(cè)試。 河北日?qǐng)?bào)記者趙永輝攝

近日，2022新能源汽車大會(huì)在北京召開(kāi)，多項(xiàng)代表前沿趨勢(shì)的新能源汽車領(lǐng)域創(chuàng)新成果悉數(shù)亮相。環(huán)保、節(jié)能、不限行……盡管新能源汽車具備如此多的優(yōu)點(diǎn)，但我們也常?？吹健案咚偕闲履茉窜囃蝗浑娏坎蛔悖瑹o(wú)法堅(jiān)持到下個(gè)服務(wù)區(qū)”“多車等待一個(gè)充電樁，排隊(duì)4小時(shí)充電1小時(shí)”的新聞。

“充電樁數(shù)量少”“充電時(shí)間長(zhǎng)”“續(xù)航里程短”是新能源車主抱怨最多的三個(gè)點(diǎn)，也是長(zhǎng)期制約新能源車發(fā)展的“三座大山”。如何翻越這“三座大山”？電池，成為科學(xué)研究和應(yīng)用市場(chǎng)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。

【資料圖】

理想的鋰電池跑得遠(yuǎn)、充電快、更安全

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

2019年10月，約翰·古迪納夫等3位研究鋰離子電池的科學(xué)家榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，頒獎(jiǎng)詞這樣描述：他們創(chuàng)造了一個(gè)可充電的世界。

當(dāng)你把手機(jī)放下，插上充電器，等待它“滿血復(fù)活”的時(shí)候，手機(jī)操作系統(tǒng)終可得到片刻寧?kù)o與休憩。但在微微發(fā)熱的機(jī)身里，一場(chǎng)悄無(wú)聲息的“運(yùn)動(dòng)”正在展開(kāi)。

“‘運(yùn)動(dòng)’的主體是鋰離子，‘家’住電池正極，它們就像一群調(diào)皮的孩子，從‘家’里‘溜’出來(lái)，一頭‘扎’進(jìn)電解液，‘游’過(guò)隔膜中的小縫隙，順流而下來(lái)到負(fù)極。”河北科技大學(xué)材料學(xué)院教授王波說(shuō)，負(fù)極是它們的目的地，闖關(guān)成功的它們結(jié)交了新朋友，積攢了大量的能量，這便完成了充電過(guò)程。到達(dá)負(fù)極的鋰離子越多，儲(chǔ)存的電量則越足。當(dāng)拔下充電器的那一刻，鋰離子知道要回“家”了，它們與新朋友告別，原路返回，回到“家”時(shí)體力殆盡，這便是電池釋放電能的過(guò)程。

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

理想中，能夠應(yīng)用于新能源汽車的電池應(yīng)具備這樣三個(gè)特點(diǎn)：第一，容量高，保證汽車跑得遠(yuǎn)；第二，充電快，保證等待時(shí)間短；第三，穩(wěn)定性強(qiáng)，保證上路更安全。

如此一來(lái)，科學(xué)家研究的目標(biāo)就很明確——研發(fā)新一代“大容量”“高倍率”“長(zhǎng)循環(huán)”的電池。

自1991年鋰離子電池商業(yè)化以來(lái)，作為鋰離子電池的核心組件，科學(xué)家們?cè)阡囯x子電池的電極材料方面展開(kāi)了大量的研究工作。

據(jù)介紹，無(wú)論正極材料還是負(fù)極材料，理想的電極材料都應(yīng)該具備良好的脫鋰嵌鋰可逆性，較高的質(zhì)量比容量，平穩(wěn)的氧化還原電位平臺(tái)，較高的電子電導(dǎo)率、離子電導(dǎo)率與鋰離子擴(kuò)散系數(shù)和良好的穩(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低，嵌入電位較高者為正極材料，嵌入電位低的為負(fù)極材料?！蓖醪ń榻B，正極材料是鋰電池的核心材料，決定著電池的能量密度、電壓、使用壽命等多個(gè)核心性能，同時(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%。

最早商業(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)用。

然而鈷酸鋰不是萬(wàn)能的?！扳捤徜圀w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)定性稍顯不足，且在高電壓工況條件下電池容量衰減較嚴(yán)重?！蓖醪ń榻B。

隨后，科研人員又開(kāi)發(fā)出了錳酸鋰體系。該體系由于鋰離子脫嵌前后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、循環(huán)性好，鋰離子循環(huán)后容量衰減緩慢、毒性低，從誕生之初就被認(rèn)為是電動(dòng)汽車電池最理想的正極材料，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臺(tái)。

由兩種金屬構(gòu)成的正極材料無(wú)法很好地滿足需求，科學(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(guò)鈷酸鋰的摻雜制備而成，它的安全性比鈷酸鋰更高。”王波說(shuō)，三元材料在空氣中易氧化形成不穩(wěn)定的表面，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷和鎳鋰混排，使材料內(nèi)阻增加，電化學(xué)活性降低，產(chǎn)生晶間裂紋和微應(yīng)變，形成額外的絕緣膜，增加材料阻抗，使材料性能下降。因此，目前來(lái)看，三元材料的成熟商業(yè)化仍然有較長(zhǎng)的路要走。

讓負(fù)極材料更“鋰”想

鋰電池的負(fù)極材料，同樣是關(guān)鍵。

“負(fù)極材料，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分?！蓖醪ń榻B，它對(duì)于電池的首次循環(huán)效率、循環(huán)壽命、倍率性能和安全性能有著直接影響。

第一代鋰離子電池負(fù)極材料直接采用金屬鋰，但在充放電過(guò)程中容易產(chǎn)生枝晶。金屬鋰在長(zhǎng)時(shí)間充放電后，表面就會(huì)長(zhǎng)出枝晶?！斑@就像光滑的平面突然長(zhǎng)出千萬(wàn)根刺，可想而知這朵‘帶刺的玫瑰’最終可能會(huì)戳穿電池，造成短路，甚至引發(fā)爆炸?！蓖醪ń榻B。

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(wèn)題，但材料在循環(huán)過(guò)程中體積變化大，材料主體易粉化脫落，循環(huán)性不佳。

第三代負(fù)極材料是采用層狀石墨碳材料，該材料在鋰脫嵌過(guò)程中電位接近鋰本身的電位，層狀結(jié)構(gòu)有利于鋰的嵌入脫出，大大提高了鋰離子電池的循環(huán)和安全性能。時(shí)至今日，大規(guī)模商業(yè)化的負(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業(yè)化方面比較成熟，但是這兩類材料都有一個(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動(dòng)力電池的更高要求。

新型電池路在何方？“負(fù)極材料仍然是‘賦能’的關(guān)鍵?！蓖醪ㄕf(shuō)。

前不久，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員唐永炳團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型鋁基復(fù)合負(fù)極材料，通過(guò)與商用鋰離子電池正極材料匹配，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，成功開(kāi)發(fā)出了新型錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元電池等產(chǎn)品。

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

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

在續(xù)航性能上，得益于鋁基負(fù)極材料高的理論容量，該電池能量密度較傳統(tǒng)鋰離子電池提升了13%—25%，能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)續(xù)航。此外，由于鋁基復(fù)合負(fù)極優(yōu)異的導(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。

在成本方面，基于鋁基復(fù)合負(fù)極的性能優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合開(kāi)發(fā)的高性能電解液，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，將成本降低10%—30%。

目前，該技術(shù)已完成了規(guī)模化量產(chǎn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)規(guī)模化量產(chǎn)的產(chǎn)品合格率達(dá)99.11%，過(guò)程各工序合格率均達(dá)99%以上。唐永炳團(tuán)隊(duì)稱，這是我國(guó)首款寬溫域、低成本、長(zhǎng)壽命的電芯產(chǎn)品，有望打破電池產(chǎn)業(yè)格局。

鋰電池會(huì)不斷迎來(lái)技術(shù)變革

隨著技術(shù)的進(jìn)步，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高。“未來(lái)，鋰離子電池充放電性能不斷提高，其在電動(dòng)工具領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。”王波說(shuō)。

作為動(dòng)力電池的核心原材料，“鋰”一直有“白色石油”的美譽(yù)，是發(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。

業(yè)內(nèi)有分析認(rèn)為，正如石油開(kāi)啟了化石能源時(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嗎？王波認(rèn)為，鋰電池之所以被拿來(lái)與石油做比較，歸根結(jié)底在于新能源汽車和傳統(tǒng)燃油車的對(duì)比。

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

“環(huán)保等因素已經(jīng)使新能源以及新能源汽車發(fā)展趨勢(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)域的競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)必愈演愈烈?！痹跇I(yè)內(nèi)專家看來(lái)，未來(lái)鋰電池能夠在部分領(lǐng)域取代石油當(dāng)前的地位?！半m然在化工、制藥以及各種輕重工業(yè)中，石油的大宗原料地位仍然無(wú)可替代，但在交通領(lǐng)域，鋰電池作為儲(chǔ)能手段，可以將其他綠色電能帶入其中。”

隨著越來(lái)越多國(guó)家加速發(fā)展新能源汽車，車企及制造商對(duì)鋰的需求量越來(lái)越高，鋰資源供應(yīng)短缺也引發(fā)了銷售價(jià)格不斷飆升。自今年初至6月底，國(guó)產(chǎn)電池級(jí)碳酸鋰現(xiàn)貨均價(jià)從最初的27.8萬(wàn)元/噸漲至46.9萬(wàn)元/噸。

那么，隨著鋰電池需求的激增，若鋰電池供應(yīng)無(wú)法自給自足，未來(lái)是否會(huì)出現(xiàn)“鋰電池危機(jī)”呢？

“鋰電池未來(lái)會(huì)不斷迎來(lái)技術(shù)變革。比如鈉離子電池、鉀離子電池等技術(shù)路線成熟后，可能會(huì)逐步減少電池對(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(wú)法變革的。因此，出現(xiàn)‘鋰電池危機(jī)’的可能性很小?！蓖醪ū硎?，當(dāng)前，研究人員仍然在為研發(fā)更好的電池不斷探索，期望鋰電池未來(lái)能更好地為人類的美好生活助力。（河北日?qǐng)?bào)記者王璐丹）

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