鋰電池技術在進步 但缺乏革命性改變

時間:2015-05-18 09:32來源:未知 作者:火 凡
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　　近期科技部發(fā)布了《國家重點研發(fā)計劃新能源汽車重點專項實施方案(征求意見稿)》，明確提出動力電池的單體比能量2015年底達到200瓦時/公斤，2020年達到300瓦時/公斤。
 
　　眾所周知，當前各種不同材料的鋰電池單體比能量最高也就在200瓦時/公斤，這已經(jīng)是部分鋰電池的極限，而單體比能量300瓦時/公斤已經(jīng)超出了部分鋰電池的理論值。未來鋰電池究竟該走向何方？
 
　　技術在進步 但缺乏革命性改變
 
　　回首過往十年，鋰電池技術在不斷進步，最為明顯的感受就是電池容量明顯增加了。用過筆記本電腦的人都知道，2005年筆記本電腦的續(xù)航時間一般都在2個小時左右，差點只有1個小時，而現(xiàn)在筆記本電腦的續(xù)航時間普遍在5個小時以上，有的甚至可以達到10個小時。
 
　　技術進步的另一明顯好處就是價格在不斷下滑。價格下滑使得鋰電池的應用領域在不斷擴大，擠占鎳氫、鎳鎘、鉛酸等二次電池的市場。
 
　　其他方面的進步還包括：電池種類不斷豐富，聚合物鋰電池開始占據(jù)行業(yè)主導地位，方形、圓柱形、軟包電池逐步形成三足鼎立之勢；充電時間明顯縮短，10年前一塊手機電池充滿需5-6個小時，現(xiàn)在一般只要2-3個小時，這還是在容量翻倍的情況下……
 
　　客觀來看，鋰電池在這十年間的技術進步的確很大，但缺乏革命性的改變。鋰電池與10年前沒有兩樣：結構沒有發(fā)生變化，主要配套材料基本沒有變化。尤其是正極材料還與10年前一樣，還是鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰這四種。有變化的只是不同材料的市場占比，10年前是鈷酸鋰的天下，現(xiàn)在則是鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰四分天下。
 
　　LiCoPO4、Li3V2(PO4)3等高電壓以及高比能量正極材料報道屢見不鮮，硅負極、金屬負極等能夠解決一切問題的新型負極材料頻繁見諸報端，石墨烯、碳納米管等新材料應用于鋰電池也經(jīng)常出現(xiàn)在媒體頭條，玻璃陶瓷、離子液體等新型電解質(zhì)層出不窮。能量密度更高、單位成本更低、循環(huán)次數(shù)更多、充電速度更快……論文有很多，投資也很大，但實際產(chǎn)品卻還沒有。
 
　　然而，下游應用市場正在發(fā)生根本性變化，手機已經(jīng)完成了從功能手機到智能手機的變革，平板電腦盡管還不能取代筆記本電腦，但已經(jīng)占領了部分市場，電動汽車的興起正在引領汽車革命，可穿戴設備正在快速興起，這些都對鋰電池提出了更高的要求。
 
　　事實是，目前鋰電池還達不到智能手機、電動汽車提出的要求。2005年手機電池容量只有1000mAh左右，其待機時間可以輕松到1周，正常使用2天沒有問題，而現(xiàn)在容量達到3000mAh的手機待機時間能有2天就不錯了，實際用起來連一天都堅持不了。
 
　　作為消費電子產(chǎn)品，手機充電非常方便，不管是在家還是在單位都很容易解決。而移動電源的出現(xiàn)進一步解決了外出無法充電難題，所以手機電池問題還不是很突出。
 
　　但電動汽車就完全不一樣了。大部分電動汽車的續(xù)航歷程只有200公里左右，這與內(nèi)燃機汽車500-600公里的續(xù)航歷程相比差距甚遠，就算是特斯拉也只能達到400公里，這是增加了大量鋰電池的結果。
 
　　這還不是最大的問題，真正影響電動汽車使用的還是充電時間長、充電設施嚴重不足。正常速度下，電動汽車的動力鋰電池完全充滿需要4-8個小時。如果加快速度的話，可以在1-2小時內(nèi)充滿，但會影響到動力鋰電池的性能及壽命。
 
　　已有實驗證明，如果一直采用快速充電，動力鋰電池的壽命會驟減至原來的三分之一，且電池性能會顯著下滑，安全事故發(fā)生概率大大增加。內(nèi)燃機汽車則不存在這樣的問題，加油或者加氣時間不超過5分鐘，安全性和穩(wěn)定性都能夠保證，加上現(xiàn)在加油站非常普遍，使用非�？旖莘奖�。更為重要的是，鋰電池作為汽車動力的成本太高，已經(jīng)占到電動汽車總成本的一半左右。
 
　　體系嚴密 牽一發(fā)而動全身
 
　　鋰電池看起來結構非常簡單，正極材料、負極材料、隔膜和電解液，再加上電極。事實上，別看它不起眼，鋰電池材料體系非常嚴密，真正是牽一發(fā)而動全身。如果要動它哪怕一分一毫，假設只是一個電極換成新材料，沒有長年累月的測試，誰也不敢打包票。
 
　　鋰電池從上世紀七十年代問世，到九十年代由索尼實現(xiàn)量產(chǎn)，再到今天鋰電池已經(jīng)誕生了近半個世紀，材料體系發(fā)生了較大變化。正極材料從最初的鈷酸鋰發(fā)展到現(xiàn)在的鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰并行，可謂是進步不小。
 
　　但實際上每種正極材料從發(fā)明到實際應用再到鋰電池量產(chǎn)，至少花費了上十年時間。每種正極材料的改變，就算不改變負極材料，其電解液的組成以及隔膜都要做出相應改變，以達到最佳匹配效果，同時還要經(jīng)過長時間的安全測試，驗證其安全性，最后還要經(jīng)過產(chǎn)業(yè)化過程，這樣才能步入市場。不僅如此，其還需要市場檢驗和客戶認可，同樣需要花費時間。這也是現(xiàn)在鋰電池材料研究非常熱火，各種新材料、新技術報道層出不窮，而鋰電池本身進步緩慢，材料體系基本沒有變化的根本原因。
 
　　相比較而言，在不動鋰電池材料體系的情況下，在制造工藝以及電池管理技術上改進就容易得多。軟包電池的出現(xiàn)以及鋰電池容量不斷提升就是制造工藝技術不斷進步的結果。
 
　　同時，為了滿足可穿戴設備等新產(chǎn)品的需求，松下開發(fā)出直徑為3.5mm、長度為1cm的針型鋰電池，三星則推出了直徑3.6mm、長約20mm的超小型Pin電池。隨著智能手機柔性化趨勢凸顯，各種柔性、可彎曲鋰電池產(chǎn)品相繼問世。在電池管理技術方面，特斯拉是其中的典范，其先進的電池管理技術，創(chuàng)造性將超過6000個圓柱型鋰電池單體通過串并聯(lián)方式成組，成功降低了電池成本，提高了儲能效率，為特斯拉引領電動汽車變革奠定了基礎。
 
　　未來路在何方
 
　　盡管特斯拉為電動汽車發(fā)展提供了全新的發(fā)展思路，但只是治標不治本，在鋰電池性能沒有明顯提升的情況下，電動汽車想大規(guī)模推廣難度非常大。那么問題來了，鋰電池性能如何進一步提升？未來向什么方向發(fā)展？
 
　　筆者認為，應用市場需求是帶動鋰電池進步最大的力量。二次電池的發(fā)展歷史充分證明了這一點，鎳鎘、鎳氫等電池的興起在于小型消費電池產(chǎn)品市場的帶動，而衰落也在于這一市場被鋰電池所蠶食。
 
　　鉛酸電池能夠占據(jù)二次電池最大市場份額，在于其占據(jù)汽車啟動電池市場，這也是其經(jīng)久不衰的根本所在，但由于其缺乏新的應用市場，鉛酸電池技術進步十分有限，同時還面臨著鋰電池的強力競爭。
 
　　當前，鋰電池已經(jīng)完全占據(jù)消費電子產(chǎn)品市場。隨著消費電子產(chǎn)品不斷發(fā)生變革，鋰電池也在不斷進步。由于目前還沒有出現(xiàn)能夠在消費電子產(chǎn)品市場與鋰電池競爭的二次電池，鋰電池還將占據(jù)消費電子產(chǎn)品市場很長一段時間。
 
　　同時，鋰電池正在逐步打開在電動工具、電動自行車、電動汽車等動力電池市場，為其未來技術進步提供了良好的動力，再加上其競爭對手燃料電池、液流電池等新型電池還處于起步階段，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離，這為鋰電池技術變革提供了難得的歷史機遇期。
 
　　因此，筆者認為，鋰電池未來發(fā)展方向應該瞄準動力電池、儲能電池，在競爭對手尚未發(fā)展起來的機遇期，通過提高電池比能量、降低生產(chǎn)成本、增加循環(huán)次數(shù)，積極占領汽車動力市場，拓展儲能市場，擠占鉛酸電池市場空間，利用產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢對燃料電池、液流電池等新型電池產(chǎn)業(yè)化進程造成影響，進而搶占有利競爭地位。
 
　　要實現(xiàn)上述目標，最根本還在于鋰電池實現(xiàn)革命性變化。從當前鋰電池的材料結構看，正極材料已經(jīng)成為制約其性能提升的最關鍵因素。
 
　　不管是現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰，還是在研究當中的各種新型正極材料，都存在局限性：一是理論比能量有限，相對于負極材料而言；二是實際比能量和理論值還有較大差距；三是鋰電池充電時間過快的話就易造成正極材料結構發(fā)生變化。因此，筆者認為要實現(xiàn)鋰電池革命性變化，必須首先突破正極材料的限制。
 
　　一方面是繼續(xù)開發(fā)全新的正極材料，具備工作電壓高、理論和實際比能量高、溫度特性好、材料來源豐富、循環(huán)壽命長、安全可靠、成本較低等特性，從材料特性以及過往的正極材料研究歷史看，要實現(xiàn)這一點難度非常之大，10年、20年內(nèi)完成的可能性極低。
 
　　二是充分發(fā)揮現(xiàn)有正極材料的潛力，創(chuàng)造性運用以納米技術為代表的新材料制備技術以及碳納米管、石墨烯等新材料，通過對現(xiàn)有正極材料改性、包覆等手段，改進現(xiàn)有正極材料制備工藝，解決當前正極材料存在的實際比能量低、充電時間長、生產(chǎn)成本高等問題，加快鋰電池在動力市場、儲能市場的應用。
 
　　筆者認為第二種方法實現(xiàn)的可能性較大，一是它不需要對現(xiàn)有鋰電池材料體系做大的改變，只需要細微調(diào)整，難度低、時間短；二是納米技術等新技術和碳納米管、石墨烯等新材料正在不斷成熟，為其在鋰電池中的應用奠定了很好的基礎。
 
　　一旦正極材料實現(xiàn)突破，也必然要求鋰電池整個材料體系發(fā)生變化，只有這樣才能實現(xiàn)鋰電池性能根本性提升。當然，隔膜、電解液要實現(xiàn)突破也是存在難度的，相較而言，負極材料突破的難度就小得多。另外，電池制備技術和電池成組技術進步也是必要的，這也是提升鋰電池比能量以及降低成本的重要因素。
(責任編輯：王杰)
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