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新知|寻找下一个超级电池

2020-01-09

2019年度诺贝尔化学奖,颁发了美国科学家约翰·古迪纳夫、英国科学家斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰,以赞誉三位科学家在锂离子电池研制范畴的奉献。

三位科学家“征服”了锂离子,为一切人创造了一个可重复充电的国际。时至今日,锂离子电池这种轻盈、可充电且功能强大的创造,出现在每个人都了解不过的手机、笔记本电脑等简直一切电子类产品中。

宿世

漫漫锂电池研讨征途

假如没有锂离子电池,出门在外,你恐怕得为手机预备上一打镍镉电池,以防它打上几个电话就宣告停工。

“锂离子电池主要由阴极、阳极、电解液、隔阂、外电路等部分组成,依托锂离子在正负极之间的移动发作电流。电池正负极资料的挑选关于能效和安全性至关重要。”河北科技大学资料学院教授王波说,现在最遍及的可充电锂离子电池,运用钴酸锂资料为正极,碳资料为负极,具有能量密度高、循环寿数长、安全可靠等长处。凭仗这些优势,它现已浸透进了人类日子的方方面面。

当然,在锂离子电池商业化之前,是一段需求前人探索的绵长高低的路途。

锂电池的来历要追溯到“锂元素”被人类发现那一年。1817年,瑞典化学家在一颗小矿石上找到了“锂”,命名为“Li”。锂是地球上已知质量最轻、元素周期表里生动性排前几名的金属元素。

由于生动性高,哪怕碰到空气也会剧烈反响,宣布高温,乃至爆破。据介绍,1KG锂彻底反响宣布的热量等于焚烧2万吨优质煤,火箭常用它做燃料。

在100多年时刻里,锂一向被当作“霉香咸鱼”挂在元素周期表内。后来,“铅酸电池”与“镉镍电池”在法国人和瑞典人手里出生,但由于存在严峻污染环境、体积大电量小寿数短、难以商业化不赚钱的缺陷,科学家们逐渐将其打入冷宫,终究电池成了没人要的不幸“孩子”。

直到1966年,福特公司转型做电动轿车,美国掀起一波电池热潮。

科学家们纷繁又投身于“电池”范畴的研制傍边,寻觅适宜的电池资料作为贮存电能的设备,先后测验过多种电池资料,如铜、铁、锌、铅、汞、镁等等,电池的改善方向主要以进步容量和循环功能等目标为主。

这种状况下,锂电池的雏形诞生了。上世纪70年代,供职于美国埃克森石油公司的斯坦利·惠廷厄姆起草了锂电池的初始规划方案,二硫化钛为阳极资料,金属锂为阴极资料。两者之间的电化学反响十分敏捷,且在环境温度下是可逆的。

牛津大学的无机化学实验室主任约翰·古迪纳夫看出了用二硫化钛作为锂电池的资料具有高温、剧毒、自毁等缺陷,所以他决议寻觅一种新资料,代替二硫化钛,让锂电池变得更安全、安稳、廉价。

古迪纳夫用了四年时刻,1980年,他找到了锂电池的最佳伴侣——钴。

“用钴作为电池的正极,完结了一次超级进化,循环充电、重复运用不再是问题。”王波说,平等体积下,这种电池的能量密度是其他电池的3倍以上,而且更廉价。

“尽管功能十分优异,但它有一个丧命的缺陷。”王波说,金属锂作为负极的锂电池在循环充电放电后发作“锂枝晶”的化学反响,锂枝晶相当于电池内部一根根细微的刺,跟着充电放电次数不断添加,终究戳破电池隔阂自燃自爆,自燃率挨近100%。

那时手持锂电池,意味着背着一个炸弹,加上仍旧昂扬的价格,锂电池从科研的弃儿转型为商场的弃儿。

1983年,接力第三棒的吉野彰出手了。吉野彰是日本名古屋市旭化成公司研讨员、名城大学教授,他在古迪纳夫的研讨基础上,发现了更适合的含锂化合物负极资料,确立了现代锂电池的根本结构。吉野彰规划的锂离子电池以碳基资料为正极,以钴酸锂为负极,彻底去除电池中的金属锂,选用了含锂化合物,进步了安全性。

1991年,古迪纳夫和吉野彰两人协作创造的锂离子电池被索尼公司推向商场,依据正极资料的不同,这种锂离子电池被称为“钴酸锂电池”。

“现在咱们用的手机、电脑、耳机等产品,约占锂电池运用量的2/3左右,其间大多是钴酸锂电池。但由于其循环寿数和安全性都较低,钴酸锂电池作为动力电池在电动轿车中的运用并不多。”王波介绍说。

为了补偿这一缺陷,1997年,古迪纳夫和团队又开发了另一种愈加安稳安全的正极资料磷酸铁锂。相较于钴酸锂的层状不安稳结构,磷酸铁锂电池的空间骨架结构更安稳,锂离子在骨架结构的通道中能快速移动。一起,更为廉价的原资料价格,也让磷酸铁锂制作本钱更低。

此生

传统锂电池挨近瓶颈

充电仅需5小时便可行进500公里,2014年,特拉斯掀起电动轿车范畴的一场革新。

尽管电池技能向前迈出了一大步,但仍存在跑上一瞬间需求停下来充5小时电的为难。被视为轿车未来展开方向的电动轿车,由于无法处理这道瓶颈难题,多年来一向在推行路途上寸步难行。

为了习惯能量密度向前向上改变的速度,不少车企扔掉相对安全的磷酸铁锂电池,转而运用三元锂电池。

“相关于磷酸铁锂电池,三元锂电池的能量密度大,电压更高,所以相同分量的电池组电池容量更大,车子能跑得更远。”王波说,为了寻求更高的续航体现,三元锂成了现在的干流。

“三元锂电池”这个称谓,来历很简单。

“锂离子电池运用一个嵌入的锂化合物作为一个正极资料,为了进步电池功能,人们测验用不同的资料组合来进步电池体现。”王波说,现在发现“镍钴锰”和“镍钴铝”两种系统的正极资料功能更好,而这两类正极资料有效成分为三种,所以称之为“三元锂电池”。

“锂想”听起来好像很饱满,可是,跟着锂电池工业化展开的深化,一些杰出问题日渐闪现。

8月31日,一辆力帆650电动轿车在广州增城区起火焚烧;9月5日,珠海香洲区两辆同享电动轿车在充电时起火焚烧……据了解,自本年5月起,新动力轿车国家监管渠道计算发现的79起新动力车安全事故均为自燃,再细化起火原因,58%的车辆起火源于电池问题。在这些自燃的车型中,大部分都是选用三元锂电池。

电池安全成了电池技能革新性打破的榜首要点,也是电动车功能进步的要害。

“锂离子电池安全与否,归根结底取决于电池能否防止内部短路,以及内部短路引起的热失控。”王波介绍,在锂电池中,除了咱们熟知的正常充放电反响外,还存在着潜在的负反响。在电池的正常温度和正常电压规模内,不会发作这些负反响。但当电池温度过高或充电电压过高时,或遇到磕碰等状况导致电池隔阂被损坏,这些负反响就会被引发。此刻电池内的热量假如得不到及时分散,就会引起电池内温度和压力急剧上升。在现阶段,三元锂电池的安全问题没有妥善的处理办法。

未来

立异思路催生新式电池

为了进步产品安全性,长城轿车旗下子公司蜂巢动力科技有限公司推出的四元正极资料,打开了动力电池工业展开的新通道。

“所谓四元资料电芯,指的是在三元锂电池系统基础上掺杂其他元素,这一元素会使晶粒之间的鸿沟强度增强,从而削减在有害的相转化过程中微隙的构成。”蜂巢动力总经理杨红新说,同三元锂电池比较,四元电池能完结耐热更好、产气少、安全性更高的特色,终究呈现在动力电池上就是容量更高、寿数更长、安全性更好。

“四元资料电芯将在年末前完结资料开发,并于2022年11月完结根据四元资料的电芯商业化量产。”杨红新介绍。

除此之外,很多的研讨也在致力于寻觅新的资料和化学品以辅佐或替换锂离子晶格或电池的其他部分。如,古迪纳夫团队正在进行的全固态电池研讨,就是对锂电池不知道事项的探寻。

“能量密度和安全性高是固态电池的最大特色。”王波说,固态电池经过在化学系统上下降电池的可燃性,运用固态电解质传输离子,下降在内部短路和受外力损坏状况下电池的热失控程度,在理论上是有安全优势的。别的,固态电池在正、负极资料挑选上规模更宽,可进一步进步电池的能量密度。

“但当时市面上的固态电池,通常是有机电解液里边加了一些固态,或者是在固态里边加了有机电解液。”王波坦言,想要进步安全性,仍是全固态电池更安全,但全固态电池是一个十分困难的研讨方向。

近来,日本东北大学和高能加快器研讨安排的科学家,开宣布一种新的复合氢化物锂超离子导体。

研讨人员表明,锂离子传导固体电解质是全固态电池的要害组成部分,但大多数现有的固体电解质具有化学/电化学不安稳性,不可防止地会在界面处引起不必要的负反响,导致界面电阻添加,在重复充放电期间极大地下降电池的功能。经过规划氢簇结构完结的这一新资料,对锂金属显现出了极高的安稳性,使锂金属有望成为全固态电池的终究阳极资料,催生出迄今能量密度最高的全固态电池。

在我国,动力锂离子电池工业快速展开、全球轿车电动化趋势日益显着的局势下,很多企业也开端加快布局固态电池研讨。

据了解,宁德年代新动力科技股份有限公司在聚合物固态锂金属电池和硫化物基固态电池方向别离展开了相关的研制作业并取得了开始发展;比亚迪股份有限公司申请了一种全固态锂离子电池正极复合资料及固态锂离子电池创造专利,并活跃推进固态电池项目商用;江西赣锋锂业股份有限公司正在对固态电池进行广泛实验作业,推进第二代固态锂电池技能成熟化,完结第三代固态锂电池可研。

“咱们建有固态电池实验室,正在继续重视固态锂电前沿技能信息,已展开前瞻性开发作业。”杨红新表明,估计在2025年左右固态电池将运用于量产车上,并逐渐完结工业化。

从钴酸锂电池到磷酸铁锂电池、三元锂电池,以及最新前沿的全固态电池,看似悠远的诺贝尔光辉,现已照亮了动力电池工业。

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