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【年终盘点】2015年度十大前沿电池科技:点亮未来

发布日期:2015-12-25

OFweek锂电网讯 在21世纪,科技就是生产力,科技决定了我们可以走多远。现如今,2016年的脚步已经近了,我们可以看到2015年的锂电行业蓝图上留下了许多清晰的科技“脚印”:锂空气电池、石墨烯电池、锂硫电池……事实上,实验室前沿技术对现实的憧憬从不曾减弱,只会愈发强烈。在这种热情的笼罩下,雾霾终将被驱散,我们的未来将更光明。在此之际,小编特此盘点出十大前沿电池科技(排名不分先后),供大家参考。

【年终盘点】2015年度十大前沿电池科技:点亮未来

NO.1 中科院石墨烯电池:充电7秒钟 续航35公里

现如今,电动车续航成为人们最头痛的问题之一,就连业界巨头特斯拉的Roadster升级版跑车都仅能达到644公里的续驶里程,如果此时有人告诉你:“有这么一种电池,一次充电时间只需8分钟,可行驶1000公里。”相信很多人都会惊呆了,这种电池就是石墨烯电池,因为性能彪悍,所以被唤作“超级电池”,甚至被“妖魔化”。

从2004年面世至今,石墨烯一直处在风口浪尖上,但其若真是突破了技术限制,被运用在电池上,那“颠覆”二字的确是担得起的。

而在本月,中科院上海硅酸盐研究所发布消息称,已研制出一种高性能超级电容器电极材料--氮掺杂有序介孔石墨烯,该材料具有极佳的电化学储能特性,可用作电动车的“超强电池”,充电只需7秒钟,即可续航35公里,相关研究成果已于12月18日发表在世界顶级期刊《科学》上。

据介绍,该新型石墨烯超级电容器体积轻巧、不易燃也不易爆,可采用低成本制备,实现规模生产。因性能较铅酸、镍氢等电池有明显的竞争优势,且在快速充放方面又远远优于锂电池,因此该“超级电池”可广泛应用于现有混合电动汽车、大功率输出设备的更新换代。

中科院石墨烯电池:充电7秒钟 续航35公里

超级电容器,是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置。由于具有功率密度高、循环寿命长、安全可靠等特点,但如何让超级电容器兼具高功率、高能量,科学家长久以来并没有找到理想材料。

为破解这一难题,中科院上海硅酸盐所联合北京大学、美国宾夕法尼亚大学展开持续攻关。通过反复试验、设计、合成,黄富强研究团队发现,氮掺杂有序介孔石墨烯的性能表现最佳。不仅能实现高能量密度、高功率密度,而且还可以通过使用水基电解液,做到无毒、环保、价格低廉、安全可靠。换句话说,其在快速充放电方面可将锂电池甩出几条街,完全可以替代掉原先的电动车电池组成为新的储能设备。

但细思下来,该石墨烯电池号称充电7秒钟,续航35公里,即一秒钟可供行驶5公里。如果设定一般的家用电动轿车一度电跑10公里,那么1秒钟得充电0.5度,即充电功率要达到1800kW。这个看着有点瘆的慌,或许从实验室到工厂再到市场还有很远的路要走。


NO.2 剑桥大学锂-空气电池:充电超2000次 能量密度提高10多倍

多年来,锂-空气电池一直被业界誉为“终极电池”。锂-空气电池的理论能量密度能达到锂离子电池的十倍,它是迄今为止能量密度最大的储能器件,和汽油相当,甚至可用于电网储电。

一块锂-空气电池可使汽车轻松行驶350英里以上,不需消耗汽油,并且相比于传统电池体积更小也更便宜。但是很难使得锂-空气电池的电池容量接近理论值,其氧化薄膜的关键问题也没有得到解决。

但在10月29日,英国剑桥大学研究人员报告说,他们克服了困扰锂-空气电池的多个技术难题,把这项技术朝实用化方向推进了一大步。这项成果发表在美国国际顶级学术期刊《科学》杂志上。

剑桥大学开发出的锂-空气电池模型蓄电能力约为3000Wh/kg,是现有锂离子电池的约8倍,可循环充放电上千次,首次循环充放电效率高达93%,即充入电池中93%的能量在放电时都能被使用。

剑桥大学锂-空气电池:充电超2000次 能量密度提高10多倍

原来,在最新工作中,论文第一作者刘韬博士等人改用多层次的大孔石墨烯作为正极材料,利用水和碘化锂作为电解液添加剂,最终产生和分解的是氢氧化锂,而不是此前电池中的过氧化锂。氢氧化锂比过氧化锂要稳定,大大降低了电池中的副反应,提高了电池性能。其中碘化锂除了帮助分解氢氧化锂外,似乎还起到了保护锂金属负极的作用,使电池对于过量的水有一定的免疫性。没有它,同量的水会直接使电池失效,完全无法充放电。

他们这一工作为加快锂-空气电池的发展提供了许多新思路,比如使用多层次大孔石墨烯电极和电解液添加剂来改变电池反应产物、减少电池副反应、提高蓄电能力等。但他也强调,他们只解决了锂-空气电池的部分难题,接下来将研究该电池的充放电速率以及锂金属负极的保护和安全隐患等问题。

但剑桥大学研究人员在一份声明中承认,锂-空气电池的商品化还需要“至少10年”,但他们的研究表明,开发这类电池的一些重大障碍是能够克服的。

NO.3 斯坦福大学铝离子电池:超快充电 超长寿命

4月份,美国斯坦福大学的一个研究小组在国际顶级学术刊物《自然》在线发表了论文《快速充放电铝离子电池》。

长期以来,铝电池研究没有实质突破的主要难题在于电池材料。合适的负极材料和电解液材料是确保电池在经过充电、放电的反复周期后仍能运行的关键。研究团队负责人、斯坦福大学化学系华人教授戴宏杰说,他们把石墨作为负极材料,试验确认了几种表现良好的石墨类材料,并用一种相当于盐溶液的等离子液体作为电解液,从而解决了铝电池研究在材料上的瓶颈问题。

研究人员表示,由于等离子电解液不会燃烧,铝和石墨也不易燃烧,因此这种铝电池非常安全。研究报告显示,为测试铝电池安全性,研究人员在电池上钻孔,电池没有爆炸燃烧,并仍能运行一段时间。

除了高安全性,采用新技术的铝电池在性能方面也有重要突破。比如,铝电池只需1分钟左右就完成超快充电。在试验中,铝电池经过7500多个充电、放电周期,电容量并没有损失。相比之下,其他研究机构的铝电池在经过约100个周期后通常无法再用,而锂电池也只能经受约1000个周期。此外,由于铝和石墨属于柔性材料,使铝电池可以弯曲、折叠而不影响性能。

斯坦福大学铝离子电池:超快充电 超长寿命

戴宏杰还表示,他们研发的铝电池可以替代易污染环境的碱性电池和有可燃风险的锂离子电池。未来这种铝电池还可用于在电网中储存可再生能源,也可用于电动汽车

不过,目前的铝电池技术还有待进一步改进。其电压仅为传统锂电池的一半,研究小组希望能通过提升正极材料的性能,最终提高铝电池的电压并增加能量密度。

而且,由于作为电解液的等离子液体成本较高,这种新型铝电池距离量产还有一定的距离,商业上可行的铝电池也尚未问世。但毋庸置疑的是,铝离子电池前景广阔,如果能及早投放市场,一定会深受消费者喜爱。

NO.4 锂硫电池的重大突破:充放电超800次 寿命延长一倍多

锂硫电池是以硫元素作为正极、金属锂作为负极的一种电池,其理论比能量密度可达2600Wh/kg,实际能量密度可达450Wh/kg。同时单质硫价格低廉、产量丰富、环境友好,是目前最接近产业化的高比能量电池技术。

虽然一直被看成下一代汽车动力的主力,但锂硫电池存在着反复使用不能超过300次的瓶颈。

本月,南京工业大学传出消息,该校和新加坡高校合作,在锂硫电池的研发方面取得重大突破。日前,该研究成果发表于国际顶级学术期刊《自然》上。

改良升级版的锂硫电池库伦效率大于98%,作为汽车动力电池续航至少能提高至600公里,而且其使用周期即充放电次数从300次提高至了800次。

南京工业大学海外人才缓冲基地、先进材料研究院科技创新研发团队博士后蒋建介绍说,“锂硫电池中的硫,在使用的过程中会和溶液进行反应,溶解流失掉。”,因此,这种电池反复使用不能超过300次。如何提高锂硫电池的使用寿命呢?他们想了一个办法,在锂硫电池的关键部位“硫-碳黑复合物”上包裹了一层超薄的过渡金属氢氧化物材料,单层厚度约7纳米。“该超薄材料可与锂离子发生不可逆反应,生成的物质可起到电极保护层的作用,巧妙地克服了传统锂硫电池电极因多硫化物溶解所造成的低充放电效率、短循环周期等诸多问题。”蒋建说。

锂硫电池的重大突破:充放电超800次 寿命延长一倍多

新加坡南洋理工大学物理与应用物理系于霆教授介绍,就世界范围来看,这是首次采用超薄过渡金属氢氧化物材料,对硫-碳黑复合物纳米单元进行微包覆处理,设计并制备了具有长寿命、高库伦效率的正极材料(库伦效率指放电容量与充电容量的比率)。

锂硫电池是世界各国竞相研发的尖端技术,其产业化前景被普遍看好。如何大幅进一步提高该电池的充放电循环寿命、使用安全性,将成为锂硫电池产业化发展的关键。

NO.5 麻省理工学院半固态锂液流电池:成本仅为三分之一

半固态电池是由美国麻省理工学院的研究人员与一家名为24M的衍生公司合作研制出的一种新型半固态液流电池。这一最新技术可以实现全面突破的关键在于混杂作用,从而让科学家们可以实现液体流动电池和传统固体电池的整合,所以研究人员称这种电池为“半固体”。

这一最新研究的负责人、美国麻省理工学院的蒋业明教授表示,他们研制出的锂“半固体”流体电池每单位体积传递的电力是传统电池的10倍。新电池每制造出1kWh电力的成本为250美元,为现有电池成本的三分之一。而且,充电一次,电动汽车可行驶300公里,是现有电池的2倍。而且,这种新技术还可以确保制造出的电池性能更出色,更易回收利用。

在普通电池内,离子通过液体或粉末电解液在两个固体电极之间来回穿梭,迫使电子在连接电极的外部电线上流动来产生电流。而在半固态电池内,电极为细小的锂化合物粒子与液体电解液混合形成的泥浆,电池使用两束泥浆流,一束带正电,一束带负电。两束泥浆都通过铝集电器和铜集电器,两个集电器之间有一个能透水的膜。当两束泥浆通过膜时,会交换锂离子,导致电流在外部流动。为了重新给电池充电,只需要施加电压让离子后退穿过膜即可。

麻省理工学院半固态锂液流电池:成本仅为三分之一

科学家们表示,这种电池有三种充电方式可供选择:抽出失效的泥浆并注入新鲜的泥浆;前往充电站,在此处用新鲜泥浆取代失效的泥浆;用电流给泥浆重新充电。采用前两种方法,只需几分钟就能给电池充满电。

美国德雷克塞尔大学德雷克塞尔纳米研究所所长尤里-伽戈崔指出,这可能是过去几十年电池领域最令人兴奋的研发技术。

理论上,半固态锂液流电池的能量密度更高,价格更低,更安全,具有美好的前景。但是,这种东西的原理和结构与现在的电池完全不同,生产线设计、质量控制、测试标准、量产工艺这些东西都得从头摸索。所以,这些年蒋业明的24M公司一直在做从实验室到量产的事情,解决新结构电池量产中遇到的各种问题,逐渐形成了一条手工生产线。

最后如果量产成功了,那在电池历史上,这个成就是可以与当年索尼发明锂离子电池相提并论的。

NO.6 以色列初创公司StoreDot研发的快速充电电池

一家名为“StoreDot”的以色列公司成功研发了一种用于汽车的超级充电技术,可以在短时间内提供大量的电能。

StoreDot为此使用了大量的创新设计,并且研发了一种新技术--多功能电极(MFE)。MFE使用了导电聚合物和金属氧化物作为电池材料,前者允许电池接收快速充电,后者则用来把迅速聚合的锂离子慢慢流进电极。通过一快一慢的两个过程,既保证了充电快速性,又避免了电极崩溃或寿命变短。

StoreDot为这项技术配备了专用的电池组和充电桩,并宣称其能够在5分钟内为电动汽车补充续航480公里的电量,这与传统汽车加满一箱油的时间相差无几。据悉,专用的快速充电电池内部电阻非常小,在充电过程中产生的热量很低少,其寿命是普通锂电池的三倍左右。成本方面,快速充电电池的造价比普通锂电池贵20%至30%,不过考虑到更长的使用寿命,均摊下来的价格应该会比锂电池更便宜。

以色列初创公司StoreDot研发的快速充电电池

StoreDot预计,将在2016年推出超级充电系统原型产品,争取在2017年实现商业化。

另外,StoreDot创始人及CEO多罗恩·米尔斯多夫表示,自己的公司已经开发出了一种可以在60秒钟内完成充电的新型电池组。

“有关智能手机电量的焦虑症将不复存在,因为它们今后可能在一分钟内就可以完成充电。”米尔斯多夫说道。尽管StoreDot发明的这一新型电池组没有传统电池那样耐用,但开发商表示极短的充电时间完全可以掩盖这一短板的存在,而这一技术的问世也将使未来的智能手机变得更具创新。

NO.7 新型液流电池:成本比钒电池降低60%

工业电池液流电池有朝一日可能引领可更新能源的普及,但前提是蓄电能力提升,能廉价的储存大量电力,以便于在落日后和没有风的情况时能向电网输入电力。

液流电池的形式和功能不同于常见的锂离子电池。在液流电池单元中,液态电解质在两个容器箱体中循环流动,而两个箱体通过一个薄膜进行分离。离子穿越薄膜就实现了电荷转移,整个过程与氢燃料电池的发电原理类似。液流电池组较锂离子电池有更高的安全性,即便放置很长一段时间,电能也不会出现流失,因此很适合用来储存太阳能、风能等可再生能源。

近日,美国太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员使用低成本及可持续的合成分子开发了一种全新的有机液流电池,其生产成本下降了不少。他们预计这种液流电池的成本将下降到180美元/kWh,这比常见的全钒液流电池成本降低了60%左右。

研究人员在容量为600毫瓦的小型电池上对这项技术进行了测试。在每平方厘米20到100mA的测试密度下稳定循环充电100次依然能够保持“接近于”100%的电池功率,而最优的性能密度为每平方厘米40到50MA,也就是保留原有电压的70%左右。

新型液流电池:成本比钒电池降低60%

传统的液流电池大多使用重金属钒和溴化物等作为电解质溶液,不仅极其昂贵,而且具有毒性。而PNNL的研究人员认为他们使用的全新有机电解质(正极中使用的是甲基紫精,而负极中使用的是4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基,同时加入了氯化钠)将成为一个全新的标准。

研究人员希望未来能在近5千瓦级的电池系统进行测试。

NO.8 Sakti3固态电池

中国工程院陈立泉院士曾经说过:“下一代锂电池应是全固态锂电池,如果现在还不布局全固态锂电池,将会错失发展时机。”

全固态锂电池之所以称为“全固态”是因为其电极和电解液都是固态的。全固态电池有一个很突出的优点,安全性比液态锂电池要高许多,不易发生爆炸,而且其功率重量比较高,可以有效地缩小体积,所以业内认为它是电动汽车理想的动力来源之一。

除安全性较传统锂电池优越外,全固态锂电池还有一个很大的优势,就是充放电循环寿命很长,最长可达45000次,并保存95%的初始容量,这点让其它种类电池望尘莫及。

年初Sakti3公司曾获得戴森公司1500万美元的研发投资资金,就是与固态电池相关。Sakti3声称已制造出能量密度达每公升1.1kWh(即550Wh/kg)的电池,这一能量密度要比锂离子电池高出约50%,能让电动车的续航里程从256英里(约412公里)提升到480英里(约772公里),但这一数据没有经过独立测试。

Sakti3固态电池

固态电池消除了任何液体泄漏的问题,并可以小型化。这正是Sakti3正在开发的技术。但该技术还没有商业化,其棘手之处在于改进生产工艺,而不是发展其理论--其理论已十分完善,但要降低生产成本不是很容易的事。

这项技术弃用了传统锂电池中的可燃液体电解质,通过其高能存储材料实现技术进步,最重要的是,它的价格更低,每kWh约100美元,要远低于目前200到300美元的市价,未来能够应用于受限于成本和里程限制的电动汽车。

这么牛的电池为何不能商用呢?目前瓶颈主要存在如下:

1、室温电导率普遍较低(<10-3S/cm),电池倍率充放电性能较差;

2、固态电解质/电极间界面阻抗大,界面相容性较差,界面锂离子电导率较低,固态电解质在充放电过程中体积膨胀和收缩,导致界面容易分离;

3、低温性能仍然有待进一步提高;

4、有待设计和构建与固态电解质相匹配的电极,研究和开发出适合于固态电解质的锂离子电池体系。

NO.9 SolidEnergy:2017续航翻倍锂电池将来袭

据悉,MIT一家初创公司SolidEnergy研发的固态电解质技术已经正式商用,而且锂金属将作为阳极出现在未来高能量密度的充电电池上。SolidEnergy还表示,公司将和合作伙伴在2016年针对智能手机和可穿戴设备产品推出一款2Ah的商业电池。此外,按照SolidEnergy的计划,2017年还将生产一款20Ah的电动汽车电池,能够提供超过目前锂电池2倍的续航里程。

SolidEnergy开发的固体聚合离子液态电解质(SPIL)由液态离子和液态聚合物构成,它强大的温控能力能够为电池的正常工作提供安全、范围较广的环境温度;此外,被固态聚合物包裹的金属锂作为阳极,能够提高电池的能量密度和循环使用次数,电解液中的抑制锂枝晶产生的添加剂同样能够提高该电池的安全性。

相比由传统石墨和复合硅作阳极的电池,单位体积的能量密度分别增加了50%和30%。该技术在MIT的实验室中诞生,同时也得到了MIT的授权认证。

去年,SolidEnergy表示已经研制出一块2Ah的聚合物原型电池,它的能量密度甚至超过了1200Wh/L,随后其负责人称该试验电池的能量密度最高可达1337 Wh/L。

 SolidEnergy:2017续航翻倍锂电池将来袭

考虑到目前主机厂都在布局价格在3万美金,但续航里程可达320公里的纯电动汽车,那么SolidEnergy的新型聚合物电池似乎出现的恰到好处。按照它的规划,2017年即将针对EV推出的20Ah电池,能够达到目前大部分主流电动汽车续航的2倍之多。

博世高层曾表示,未来电动汽车电池的成本只有目前一半,但能量密度却是目前主流产品的一倍,加上特斯拉超级电池工厂的“搅局”,这些都有助于廉价高续航纯电动汽车产品成为主流。

NO.10 法国开发出首款18650钠离子电池

业界一直在讨论锂离子电池的继任者到底是什么?而有部分专家认为是钠电池。

钠离子电池之所以受到关注,是因为作为其主材料的钠资源几乎取之不尽用之不竭,制造成本不到锂电池三分之一。而且这种电池兼具单位体积存储能量多和使用寿命长等优点,可持续5千次充放电循环,效率超过85%,据说可以将传统锂电池的续航能力提升7倍。

法国一支研究团队首次开发出了业界标准的18650规格的钠离子电池。众所周知,“18650”锂电池被普遍用于笔记本、LED手电、以及特斯拉Model S汽车等设备上,18650钠离子电池的出现,无疑是在可充电电池材料上取得的一项重大进步。

固态化学家Jean-Marie Tarascon解释到:“现在披露的钠离子电池,受到了锂离子技术的直接启发”。 这款新型18650钠离子电池,借助了钠离子转移来存储和释放电能。换言之,与锂离子电池中的锂离子一样,在充放电的过程中,钠离子也会通过液体,从一个电极转移到另一个电极。在电池的使用周期中,我们同样无需对材料加以修改。

法国开发出首款18650钠离子电池

研究人员目前将这种特定的材料定位商业机密,但原型电池的性能已经让人大开眼界。LITEN合作研究员Lo‘c Simonin指出:“其能量密度可与磷酸铁锂等锂离子电池相匹敌”。

该团队希望将不昂贵的钠离子电池,尽快推向欧洲市场的各个领域:“采用18650这种规格,使得我们能够让概念迅速成真,并与市场上现有的同规格电池在性能上进行同向比较。当然,我们也会开发出其它的规格,以迎合新的需求”。

钠离子尺寸比锂离子大了25%。更大的尺寸使钠离子很难嵌入发生化学反应所在的电极晶体结构中。因此钠离子的移动速率就比较慢,这成为了钠离子电池充、放电速率慢的根源。与该问题相关的还有电荷传输速率和材料的稳定性也需要提高。

文章来源:OFweek锂电网






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