環(huán)球即時：新知｜鋰電池：創(chuàng)造一個可充電的世界

在武安市銀隆新能源產(chǎn)業(yè)園，技術人員在給一批新能源純電動大巴做投放市場前的最后測試。 河北日報記者趙永輝攝

近日，2022新能源汽車大會在北京召開，多項代表前沿趨勢的新能源汽車領域創(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，但我們也常常看到“高速上新能源車突然電量不足，無法堅持到下個服務區(qū)”“多車等待一個充電樁，排隊4小時充電1小時”的新聞。

“充電樁數(shù)量少”“充電時間長”“續(xù)航里程短”是新能源車主抱怨最多的三個點，也是長期制約新能源車發(fā)展的“三座大山”。如何翻越這“三座大山”？電池，成為科學研究和應用市場普遍關注的焦點。

【資料圖】

理想的鋰電池跑得遠、充電快、更安全

在科技高速發(fā)展的今日，鋰電池早已走進了千家萬戶，在電動汽車領域，也成為市場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家榮獲諾貝爾化學獎時，頒獎詞這樣描述：他們創(chuàng)造了一個可充電的世界。

當你把手機放下，插上充電器，等待它“滿血復活”的時候，手機操作系統(tǒng)終可得到片刻寧靜與休憩。但在微微發(fā)熱的機身里，一場悄無聲息的“運動”正在展開。

“‘運動’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，一頭‘扎’進電解液，‘游’過隔膜中的小縫隙，順流而下來到負極?！焙颖笨萍即髮W材料學院教授王波說，負極是它們的目的地，闖關成功的它們結(jié)交了新朋友，積攢了大量的能量，這便完成了充電過程。到達負極的鋰離子越多，儲存的電量則越足。當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，鋰離子充當了電能的“搬運工”，周而復始地從正極至負極再至正極來回移動，在正、負極活性材料中進行脫嵌，將化學能和電能相互轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了能量的存儲與釋放。

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

如此一來，科學家研究的目標就很明確——研發(fā)新一代“大容量”“高倍率”“長循環(huán)”的電池。

自1991年鋰離子電池商業(yè)化以來，作為鋰離子電池的核心組件，科學家們在鋰離子電池的電極材料方面展開了大量的研究工作。

據(jù)介紹，無論正極材料還是負極材料，理想的電極材料都應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，較高的電子電導率、離子電導率與鋰離子擴散系數(shù)和良好的穩(wěn)定性等。

“正極材料與負極材料的區(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、使用壽命等多個核心性能，同時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用。

然而鈷酸鋰不是萬能的。“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)定性稍顯不足，且在高電壓工況條件下電池容量衰減較嚴重?！蓖醪ń榻B。

隨后，科研人員又開發(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，從誕生之初就被認為是電動汽車電池最理想的正極材料，然而該體系的電子導電率較低，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。

由兩種金屬構(gòu)成的正極材料無法很好地滿足需求，科學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高?！蓖醪ㄕf，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，電化學活性降低，產(chǎn)生晶間裂紋和微應變，形成額外的絕緣膜，增加材料阻抗，使材料性能下降。因此，目前來看，三元材料的成熟商業(yè)化仍然有較長的路要走。

讓負極材料更“鋰”想

鋰電池的負極材料，同樣是關鍵。

“負極材料，是用于電池能量的儲存和釋放，也是電池中重要的組成部分?！蓖醪ń榻B，它對于電池的首次循環(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。金屬鋰在長時間充放電后，表面就會長出枝晶。“這就像光滑的平面突然長出千萬根刺，可想而知這朵‘帶刺的玫瑰’最終可能會戳穿電池，造成短路，甚至引發(fā)爆炸?！蓖醪ń榻B。

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

第三代負極材料是采用層狀石墨碳材料，該材料在鋰脫嵌過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。時至今日，大規(guī)模商業(yè)化的負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固有缺陷——理論比容量都較低，這使得當前鋰離子電池的能量密度還不能滿足動力電池的更高要求。

新型電池路在何方？“負極材料仍然是‘賦能’的關鍵。”王波說。

前不久，中科院深圳先進技術研究院研究員唐永炳團隊研發(fā)了一種新型鋁基復合負極材料，通過與商用鋰離子電池正極材料匹配，針對不同應用場景，成功開發(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、長續(xù)航、快充和低成本的優(yōu)勢?！痹搱F隊表示。

在安全性能方面，常規(guī)鋰電池隨著不斷使用，內(nèi)部會產(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。而團隊開發(fā)的新型鋁基負極在低溫和過充條件下，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%，能實現(xiàn)長續(xù)航。此外，由于鋁基復合負極優(yōu)異的導電性能，產(chǎn)品還表現(xiàn)出不俗的快充性能，20分鐘即可充滿電，為半小時充電需求提供了解決方案。

在成本方面，基于鋁基復合負極的性能優(yōu)勢，并結(jié)合開發(fā)的高性能電解液，低溫電池產(chǎn)品可以擺脫對昂貴的納米級正極材料的依賴，將成本降低10%—30%。

目前，該技術已完成了規(guī)?；慨a(chǎn)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，該技術規(guī)?；慨a(chǎn)的產(chǎn)品合格率達99.11%，過程各工序合格率均達99%以上。唐永炳團隊稱，這是我國首款寬溫域、低成本、長壽命的電芯產(chǎn)品，有望打破電池產(chǎn)業(yè)格局。

鋰電池會不斷迎來技術變革

隨著技術的進步，鋰離子電池電動汽車在里程、續(xù)航和安全性方面都有了較大的提高?！拔磥?，鋰離子電池充放電性能不斷提高，其在電動工具領域的應用將更加廣泛。”王波說。

作為動力電池的核心原材料，“鋰”一直有“白色石油”的美譽，是發(fā)展儲能和新能源汽車不可或缺的元素，重要地位堪稱電氣時代的石油。

業(yè)內(nèi)有分析認為，正如石油開啟了化石能源時代，鋰電池或許將引領新的能源革命。

那么，鋰電池真能取代石油嗎？王波認為，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統(tǒng)燃油車的對比。

當前，在全球碳中和浪潮下，新能源汽車行業(yè)迎來爆發(fā)式增長，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個月實現(xiàn)同比增長，即使是在國內(nèi)車市整體下滑的3月—5月，新能源汽車銷量依舊分別實現(xiàn)114.1%、44.6%和105.2%的大幅增長。

“環(huán)保等因素已經(jīng)使新能源以及新能源汽車發(fā)展趨勢不可逆轉(zhuǎn)，主要國家和地區(qū)在諸多戰(zhàn)略新興領域的競爭勢必愈演愈烈?！痹跇I(yè)內(nèi)專家看來，未來鋰電池能夠在部分領域取代石油當前的地位。“雖然在化工、制藥以及各種輕重工業(yè)中，石油的大宗原料地位仍然無可替代，但在交通領域，鋰電池作為儲能手段，可以將其他綠色電能帶入其中?！?/p>

隨著越來越多國家加速發(fā)展新能源汽車，車企及制造商對鋰的需求量越來越高，鋰資源供應短缺也引發(fā)了銷售價格不斷飆升。自今年初至6月底，國產(chǎn)電池級碳酸鋰現(xiàn)貨均價從最初的27.8萬元/噸漲至46.9萬元/噸。

那么，隨著鋰電池需求的激增，若鋰電池供應無法自給自足，未來是否會出現(xiàn)“鋰電池危機”呢？

“鋰電池未來會不斷迎來技術變革。比如鈉離子電池、鉀離子電池等技術路線成熟后，可能會逐步減少電池對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。因此，出現(xiàn)‘鋰電池危機’的可能性很小?！蓖醪ū硎荆斍?，研究人員仍然在為研發(fā)更好的電池不斷探索，期望鋰電池未來能更好地為人類的美好生活助力。（河北日報記者王璐丹）

關鍵詞： 鋰離子電池 能量密度 安全性能 電動汽車