鋰電池末路已至？鋁電池蓄勢待發(fā)！ - 全文

　　本月初，美國斯坦福大學(xué)以戴宏杰教授為首的研究小組發(fā)表了關(guān)于鋁離子電池的論文，一石激起千層浪，專家媒體一致認(rèn)為這是電池行業(yè)的重大突破。據(jù)悉，這種鋁離子電池能實(shí)現(xiàn)快速充放電，且循環(huán)次數(shù)高達(dá)7500次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通鋰電池（一般為300次）。另外，這種鋁電池具有高效耐用、可超快充電、低可燃性、高安全性、低成本等特點(diǎn)。

　　目前市場上的主流電池仍是鋰電池，甚至鎳氫電池亦未完全退出舞臺(tái)。鋁離子電池的出現(xiàn)，夸張一點(diǎn)講是顛覆式的，但比被“妖魔化”的石墨烯超級電池多了一層現(xiàn)實(shí)的質(zhì)感。面對如此勁敵，鋰電池的未來會(huì)走向何方呢？我們且簡單解析一番。

　　一、鋰離子動(dòng)力電池遭遇四大瓶頸

　　清華大學(xué)深圳研究生院的賀艷兵教授在“OFweek2015中國鋰電技術(shù)產(chǎn)業(yè)研討會(huì)”上表示，目前鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展有四大瓶頸：能量密度低、快速充電性能差、低溫充放電性能差以及安全性差。

　　電池的能量密度是指電池的平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。賀教授認(rèn)為正負(fù)極材料的比容量低，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低。

　　四川興能新材料有限公司研究院副院長龔本利在“OFweek2015中國鋰電技術(shù)產(chǎn)業(yè)研討會(huì)”上表示鋰離子產(chǎn)業(yè)化非常精細(xì)，利用率很高，實(shí)際能量密度與理論能量密度的比值最高可達(dá)61%，實(shí)際能量密度在150-220Wh/kg，而在可以預(yù)見的未來，終極目標(biāo)樂觀估值可達(dá)500-700 Wh/kg。

　　普通鋰離子電池的能量密度較低這點(diǎn)毋庸置疑，唯有加大科研力度才是解決的辦法。

　　快速充電性能差則表現(xiàn)在兩個(gè)方面：鋰離子在石墨電極內(nèi)部擴(kuò)散慢，在電極內(nèi)部運(yùn)輸慢；而低溫充放電性能差與鋰離子在電極內(nèi)部的擴(kuò)散路徑長和電解液的低溫活度小有關(guān)系；消費(fèi)者最關(guān)心的安全性問題歸根結(jié)底是電極材料與液態(tài)電解液反應(yīng)活性大的問題。

　　以上四大瓶頸是鋰電池科研工作者一直想破解的問題，下面我們從材料層面來說說。

　　單就電解質(zhì)而言，目前鋰離子電池主要是用液態(tài)電解質(zhì)，但液態(tài)電解質(zhì)的缺點(diǎn)十分明顯：易燃、易滲漏、與碳負(fù)極材料具有很強(qiáng)的熱反應(yīng)活性。我們平常聽聞的電池安全事故，電解質(zhì)有無法推卸的干系。

　　除了電解質(zhì)，鋰離子電池的主要組成成分還包括正極材料、負(fù)極材料和隔膜。

　　關(guān)于負(fù)極材料，目前應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬石墨材料。對于其他負(fù)極材料，賀教授表示，新型納米碳材料雖然具有比容量高，但是需要解決首次庫侖效率低和無充放電平臺(tái)的問題（從極化機(jī)理來說，很難解決）；新型Si，Sn復(fù)合負(fù)極材料已經(jīng)得到廣泛的研究，但如果首次庫侖效率能夠進(jìn)一步提高，將具有很大的發(fā)展前景；負(fù)極 SEI膜形成將成為未來提高負(fù)極材料和電池性能的研究熱點(diǎn)。

　　對于萬能材料石墨烯，賀教授表示從功率型電池的角度來講，該材料目前還很難被應(yīng)用在動(dòng)力電池中。

　　二、那些值得期待的鋰電池品種

　　鋰電池領(lǐng)域其實(shí)不乏“明星級別”的存在，全固態(tài)鋰電池和鋰-空氣電池便是其中的佼佼者。

　　1、全固態(tài)鋰電池

　　“下一代鋰電池應(yīng)是全固態(tài)鋰電池，”賀教授在“OFweek2015中國鋰電技術(shù)產(chǎn)業(yè)研討會(huì)”上引用中國工程院陳立泉院士的話說到，“如果現(xiàn)在還不布局全固態(tài)鋰電池，將會(huì)錯(cuò)失發(fā)展時(shí)機(jī)。鋰硫、鋰空電池成為研究熱點(diǎn)，但其產(chǎn)業(yè)化難度較高。其實(shí)如果業(yè)內(nèi)將全固態(tài)鋰電池問題攻克了，再去做鋰硫、鋰空電池，相關(guān)技術(shù)難題會(huì)迎刃而解?！?/p>

　　全固態(tài)鋰電池是一種使用固體電極和固體電解液的鋰電池。固態(tài)電池一般功率密度較低，能量密度較高。由于固態(tài)電池的功率重量比較高，所以它是電動(dòng)汽車很理想的電池。

　　除安全性較傳統(tǒng)鋰電池優(yōu)越外，全固態(tài)鋰電池還有一個(gè)很大的優(yōu)勢，就是充放電循環(huán)壽命很長，最長可達(dá)45000次，并保存95%的初始容量，這點(diǎn)可讓其它種類電池望塵莫及。

　　2、鋰-空氣電池

　　鋰－空氣電池的優(yōu)勢在于其巨大的理論儲(chǔ)能能力，它是迄今為止，能量密度最大的儲(chǔ)能器件，和汽油相當(dāng)。

　　按重量計(jì)算，它是如今廣泛使用的傳統(tǒng)鋰電池的10倍。一塊鋰空氣電池可使汽車輕松行駛350英里以上，不需消耗汽油，并且相比于傳統(tǒng)電池體積更小也更便宜，不過很難使得電池容量接近理論值。

　　眾所周知鋰－空氣電池兩個(gè)最大的問題是效率低以及不能多次充放電。當(dāng)鋰離子和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成鋰氧化物時(shí)，鋰空氣電池產(chǎn)生電流。而鋰－空氣電池的充電過程則涉及到該反應(yīng)的逆反應(yīng)--鋰氧原子間的化學(xué)鍵斷裂，并且釋放氧氣。致命問題在于生成的鋰氧化物會(huì)覆蓋在電池電極上，從而隔絕了電極與催化劑的接觸，進(jìn)而減緩反應(yīng)進(jìn)程。

　　如此說來，全固態(tài)鋰電池比鋰－空氣電池商用的時(shí)間可能要早得多。

　　賀教授認(rèn)為針對存在的問題，鋰空電池未來的研究方向如下：

　　1）繼續(xù)研發(fā)更加穩(wěn)定的電解液體系，減少因電解液分解導(dǎo)致的副產(chǎn)物積累；同時(shí)，電解液添加劑將成為穩(wěn)定體系、提高性能的有效方法。

　　2）繼續(xù)深入理解鋰空氣電池的反應(yīng)機(jī)理，這對于如何選擇電解液體系，正/負(fù)極材料都有很好的指導(dǎo)作用。

　　3）研究、改善鋰空氣電池正極材料，進(jìn)一步降低過電壓平臺(tái)，提高充放電效率，這是鋰空氣電池推向市場化應(yīng)用的一個(gè)重要因素。

　　4）研究新的鋰空氣電池的負(fù)極材料，提高電池的安全穩(wěn)定性。

　　三、關(guān)于鋰電池的安全性：BMS

　　對于鋰電池消費(fèi)者來說，考慮的第一要素永遠(yuǎn)是安全性，這意味著企業(yè)需要擁有性能優(yōu)越的電源管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）。

　　下表為國內(nèi)外主流 BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)，代表著BMS的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

　　在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，我們以特斯拉為例談?wù)凚MS。

　　特斯拉將幾千節(jié)18650電池串聯(lián)起來組成了電動(dòng)汽車的能量來源，如此做法確實(shí)獲得了驚人的動(dòng)力來源，但是如何管理才能平衡安全性和可靠性的問題？特斯拉將服務(wù)器集群分級管理的體系，運(yùn)用在18650電池串聯(lián)管理上。

　　BMS設(shè)計(jì)了三級電源管理系統(tǒng)：分別是370個(gè)電池組成一個(gè)電池磚，每兩個(gè)電池磚組成一個(gè)電池片，總共有7個(gè)電池片分布在互相隔離的不同區(qū)域，從而組成整個(gè)電池模組。每一級都有相應(yīng)地保證監(jiān)控電池運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)節(jié)溫度、防短路/防外力沖擊的措施。整個(gè)BMS系統(tǒng)在編程管理鋰離子電池的電子系統(tǒng)、使用特殊的防護(hù)材料、精巧和低成本的安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，都有自己非常獨(dú)到和成功的地方。

　　依靠BMS系統(tǒng)，Tesla Model S在獲得幾千節(jié)18650電池的強(qiáng)大能量來源的同時(shí)，整車還獲得了較高的安全性和可靠性。Tesla的安全設(shè)計(jì)讓電池組在受到嚴(yán)重撞擊破壞后給予車主5分鐘的時(shí)間離開車子，起火只會(huì)集中在車身前底部，不會(huì)整車起火燃燒。這也是迄今為止，特斯拉電動(dòng)汽車起火案例雖有，卻不曾有人員傷亡的原因。

　　四、鋰電池的未來

　　目前，鋰離子電池在3C消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)交通工具、工業(yè)&電力儲(chǔ)能等下游產(chǎn)業(yè)有著十分廣闊的市場，TüV南德意志集團(tuán)電池產(chǎn)品部技術(shù)經(jīng)理朱靜博士在“OFweek2015中國鋰電技術(shù)產(chǎn)業(yè)研討會(huì)”上引用數(shù)據(jù)稱，2014年我國鋰離子電池市場規(guī)模達(dá)715億元，同比增長21.1%。

　　在新能源汽車領(lǐng)域，2014年我國新能源汽車動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)100億元。隨著新能源汽車的持續(xù)發(fā)展，預(yù)計(jì)2024年，動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)1615億元，我國將迎來鋰電池的10年黃金發(fā)展時(shí)期，鋰電池全產(chǎn)業(yè)鏈都將獲得利好。

　　而鋁離子電池目前還在實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵階段，尚未得到實(shí)際應(yīng)用。雖然國內(nèi)外媒體對該電池一致持樂觀態(tài)度，但未來還遠(yuǎn)，電池的世界還存在許多的可能性，比如鈉電池，比如鎂電池……

　　一言概之，筆者認(rèn)為鋰電池在十年內(nèi)很難被取代。無論怎樣，科技日新月異，我們寄望電池界能有顛覆性的事件發(fā)生，掀起續(xù)航持久戰(zhàn)！