高能動力電池是怎樣煉成的

本報記者 張佳星

1月7日，中國科學(xué)院院士歐陽明高在學(xué)術(shù)會議上表示，我國400瓦時/公斤的單體電池有望在2025年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，這一時間表引起行業(yè)熱議，目前特斯拉最新動力電池20700高性能鈷酸鋰電池能量為333瓦時/公斤，這意味著我國在動力電池領(lǐng)域有望從“跟跑”變“領(lǐng)跑”。

被歐陽明高點名的科研項目獲得了國家重點研發(fā)計劃的支持，全名為“高比能動力電池的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究”，該研究基于研究團隊研制出的高容量富鋰錳基的正極材料，汽車動力電池的儲能將有可能提高至400瓦時/公斤。

近年來，在國家政策的大力扶持下，我國新能源汽車得到迅速普及，但“不敢去遠(yuǎn)郊區(qū)縣”的“梗”至今難以理順。打破500公里的單次行程極限將大大推動電動汽車的推廣，然而汽車承載有限，如何在受限的體積內(nèi)盡量多地儲備電能成為科研攻關(guān)的關(guān)鍵目標(biāo)。

該項目負(fù)責(zé)人、北京大學(xué)教授夏定國表示：“要進一步提高鋰離子電池的能量密度，正極材料的比容量是關(guān)鍵。”據(jù)夏定國介紹，針對正極材料的比容量，研究團隊在前期工作基礎(chǔ)上，深刻理解富鋰材料穩(wěn)定性機制以及陰離子氧化還原的產(chǎn)生機理，通過調(diào)控陰離子氧化還原機制來實現(xiàn)富鋰材料性能的優(yōu)化。

也就是說，團隊首先遇到的問題是：陰離子氧化還原能力受什么“左右”？揭示這一規(guī)律將引導(dǎo)團隊接近并找到性能優(yōu)良的電極。團隊還發(fā)現(xiàn)，在物質(zhì)內(nèi)部原子之間的幾何結(jié)構(gòu)會影響電子的結(jié)構(gòu)，從而影響陰離子氧化還原的能力，研究明確了結(jié)構(gòu)和效能的關(guān)系，并希望通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計改善電極材料的電化學(xué)性能。

“提高正極材料中的含鋰量，讓更多的陰離子穩(wěn)定參與氧化還原反應(yīng)是一個重要途徑。”夏定國說，研制出高容量富鋰正極材料，為進一步提高動力電池的能量密度提供了可能。項目組除制備出了一種高容量的富鋰正極材料和兩種高容量、高穩(wěn)定富鋰材料—碳復(fù)合材料外，還制備出了高容量的鋰電池負(fù)極材料。

要讓電池變成“肌肉型男”，在獲得合理的正負(fù)極材料之余，還需要設(shè)計出可行的加工工藝。例如，富鋰化合物在電極中需要很好地分散開來，既保持在體系中60%以上的含量，又不凝結(jié)為塊狀。分散越均勻，可逆性越好，充放電效率越好。

目前該電池還需進一步完善，夏定國介紹，仍存在“枝晶鋰”制約新體系電池的進步及電池安全性這兩個關(guān)鍵問題。相關(guān)實驗顯示，10—50次循環(huán)使用之后，電壓衰減明顯，電極也不起作用了。

“枝晶鋰”是鋰離子電池采用液態(tài)電解質(zhì)所特有的，鋰離子還原結(jié)晶成樹枝樣，并不斷生長，到一定程度可能會刺破隔膜，科學(xué)家目前正在從兩個角度尋求突破。一是包被涂層，二是研究固體電解質(zhì)。

夏定國強調(diào)，“高能量密度鋰離子動力電池的發(fā)展有待于電極材料、電解液及高安全性途徑的發(fā)展，更有待于新的分析方法及電池制備技術(shù)進步”。

除了提高鋰離子電池的能量密度使其達到400瓦時/公斤外，項目組還將著力全新的鋰硫電池和鋰空氣電池的研究，它們的能量密度有望達到500瓦時/公斤。中國工程院院士陳立泉表示，鋰空氣電池是動力電池的發(fā)展方向之一，“現(xiàn)在大力發(fā)展的氫氧燃料電池，必須用金屬罐子保障氫氣使用時的安全，而鋰空氣電池(負(fù)極為空氣中的氧氣)只要一個榨菜袋子就可以了。從實用性、成本上來講鋰空氣電池也應(yīng)該發(fā)展”。

從探索改進電極及電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、建立電池極化模型和仿真技術(shù)等方面入手，汽車動力電池的“瘦身健體”之旅仍在不斷推進。