量產(chǎn)電芯能量密度300Wh/kg可實(shí)現(xiàn)新能源汽車的“未來芯”

近日，有媒體報(bào)道，電動(dòng)汽車制造商菲斯克(Fisker)剛剛申請(qǐng)了一項(xiàng)固態(tài)電池專利，這項(xiàng)專利使得電動(dòng)汽車的續(xù)航能力提高到令人震驚的804公里，充電時(shí)間也縮短到一分鐘。

在國內(nèi)，動(dòng)力電池作為發(fā)展電動(dòng)汽車的核心部件之一，一直是電池領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在2016年啟動(dòng)的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)中，中國科學(xué)院物理研究所清潔能源實(shí)驗(yàn)室研究員李泓負(fù)責(zé)的“長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力鋰電池新材料與新體系研究”項(xiàng)目，旨在研發(fā)高能量密度、高安全性鋰電池以提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，項(xiàng)目提出的研究鋰離子電池、半固態(tài)鋰硫電池、固態(tài)鋰空氣電池三種長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力鋰電池，或?qū)⒊蔀槲覈履茉雌嚨奈磥碇尽?/p>

挑戰(zhàn)電池極限能量密度

“提高動(dòng)力電池電芯能量密度達(dá)到400Wh/kg以上，將有利于顯著提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。以北汽EV200為例，400Wh/kg電芯，相當(dāng)于800Wh/L以上體積能量密度。保持現(xiàn)有電池包體積和每噸百公里電耗不變，一次充電不僅可以續(xù)航620公里;還可以降低成本、延長(zhǎng)使用壽命，解決目前電動(dòng)汽車與燃油車性能之間的較大差異。”日前，李泓接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說。

作為國家新能源汽車動(dòng)力電池研發(fā)整體布局的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，該項(xiàng)目的任務(wù)是在產(chǎn)業(yè)鏈最前端開發(fā)400Wh/kg以上能量密度的新型電池，積累高能量密度電池的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題的認(rèn)識(shí)與關(guān)鍵技術(shù)，并為企業(yè)同步開發(fā)300Wh/kg電芯提供重要參考依據(jù)和指導(dǎo)意見。

“長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力鋰電池新材料與新體系研究”研發(fā)團(tuán)隊(duì)就是在該項(xiàng)目中承擔(dān)挑戰(zhàn)電池極限能量密度的任務(wù)。

量產(chǎn)電芯能量密度300Wh/kg可實(shí)現(xiàn)

記者從企業(yè)申報(bào)的公開研發(fā)方案中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于300Wh/kg的鋰離子動(dòng)力電池路線，有項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選擇了高鎳正極和納米硅碳負(fù)極。

“從最近的進(jìn)展看，量產(chǎn)電芯能量密度達(dá)到300Wh/kg的技術(shù)指標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)。”李泓說。

在近期的新體系電池研究方面，“長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力鋰電池新材料與新體系研究”研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用的富鋰材料為正極，硅碳材料為負(fù)極的電芯能量密度達(dá)到了348Wh/kg，而以富鋰材料為正極、金屬鋰為負(fù)極的電芯比能量達(dá)到573Wh/kg;鋰硫電池比能量達(dá)到600Wh/kg;一次鋰空電池比能量達(dá)到780Wh/kg。

“超過300Wh/kg的高能量密度電池的開發(fā)，負(fù)極含有金屬鋰是一個(gè)重要的共性技術(shù)。一些研究團(tuán)隊(duì)提出采用固體電解質(zhì)或混合固液電解質(zhì)，來解決使用或含有金屬鋰負(fù)極的電池面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。”李泓說。

中國科學(xué)院在2013年11月布局了中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)A類項(xiàng)目，該項(xiàng)目同時(shí)支持了固態(tài)電池的開發(fā)，其中三個(gè)團(tuán)隊(duì)分別在聚合物、硫化物和原位固態(tài)化技術(shù)方面取得了進(jìn)展。

技術(shù)路線清晰但仍面臨挑戰(zhàn)

“目前開發(fā)生產(chǎn)的液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池的軟包電芯中，一般液體電解質(zhì)重量百分比為15%—25%，負(fù)極為碳、硅等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，未來需要發(fā)展全固態(tài)金屬鋰電池，負(fù)極含有金屬鋰，電池中不含任何液體。”李泓說。

雖然技術(shù)路線較為清晰，但目前面臨很大的挑戰(zhàn)。李泓說，從開發(fā)混合固液電解質(zhì)電池和全固態(tài)金屬鋰電池產(chǎn)業(yè)來看，需要重點(diǎn)開發(fā)固體電解質(zhì)和金屬鋰材料，解決界面離子和電子傳輸，以及體積形變、熱穩(wěn)定性問題。多數(shù)制造設(shè)備可以通過采用現(xiàn)有鋰離子電池和一次金屬鋰電池產(chǎn)業(yè)的制造裝備來實(shí)現(xiàn)。

此外，大規(guī)模生產(chǎn)金屬鋰電池的干燥房等生產(chǎn)環(huán)境控制技術(shù)也已經(jīng)掌握。盡管開發(fā)混合固液電解質(zhì)電池和全固態(tài)金屬鋰電池，還面臨很多科學(xué)與技術(shù)的挑戰(zhàn)，也包括控制成本方面的挑戰(zhàn)。

“只要扎實(shí)深入地研究清楚其中的基礎(chǔ)科學(xué)問題，提出可行的創(chuàng)造性的綜合解決方案，即便困難重重，也是充滿希望。”李泓說。