一区二区三区日韩精品-日韩经典一区二区三区-五月激情综合丁香婷婷-欧美精品中文字幕专区

分享

【獨家專題】先進電池技術路在何方

 前沿材料 2020-09-17

前言

目前,傳統(tǒng)鋰離子電池技術較為成熟,按照不同的正極材料可分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元鎳鈷錳、磷酸鐵鋰等。而常見的負極材料則主要為以人造石墨、改性天然石墨、中間相碳微球等為主的碳材料。雖然這些材料都得到了廣泛的應用,但是其自身的缺點限制了這些材料的發(fā)展。目前正極材料的發(fā)展方向是高能量密度高鎳型鎳鈷錳酸鋰(NCM811)正極材料。負極材料方面,硅基負極材料、錫基合金負極材料等均得到了大量的研究,但目前沒有碳負極應用廣泛。

除此之外,國內(nèi)外各大研究機構(gòu)也對下一代電池技術進行了大量研究,主要包括全固態(tài)電池技術、鋰硫電池技術、鈉離子電池技術、金屬空氣電池技術等。

現(xiàn)有先進電池技術

(一)高鎳型鎳鈷錳酸鋰(NCM811)正極材料

目前國內(nèi)主流鎳鈷錳酸鋰正極材料主要為NCM111型和NCM523型,NCM622型也得到了批量生產(chǎn),但是NCM811型尚處于研發(fā)階段。目前國內(nèi)已經(jīng)有些企業(yè)表示公司具有高鎳NCM811型材料,主要針對3C高容量數(shù)碼圓柱電池用戶,同時國內(nèi)也有一些知名電池材料制造企業(yè)表示高鎳NCM811型材料目前正處于研發(fā)狀態(tài)中。

對此,筆者致電業(yè)內(nèi)人士獲悉,目前尚未聽說國內(nèi)有高鎳NCM811型材料的最新量產(chǎn)消息,811體系還不夠成熟。但是,某些企業(yè)的確在做小試,開發(fā)高鎳材料在能量密度和材料成本方面具有很大的優(yōu)勢。

國內(nèi)高鎳材料的開發(fā)現(xiàn)狀主要是由于高鎳材料具有很高的技術壁壘,對工藝、設備等要求很高。此外,高鎳材料非常容易吸潮使產(chǎn)品成果凍狀,難以涂布。在前驅(qū)體燒結(jié)中對窯爐的性能要求苛刻,國內(nèi)設備難以滿足。

除了企業(yè)對高鎳NCM811型材料進行開發(fā)外,國內(nèi)的北京大學、北京科技大學以及合肥工業(yè)大學等均在研究。

目前,韓日兩國在高鎳材料保持領先地位,外圍消息顯示,日本戶田工業(yè)公司韓國ECOPRO公司等少數(shù)企業(yè)已經(jīng)具有高鎳的制備技術。

(二)硅基負極材料

硅負極材料理論比容量達到4200mAh/g以上,遠高于372mAh/g的石墨類負極,并且硅的嵌鋰比容量是石墨的10倍,因此,硅負極材料受到了廣泛的關注。但是,硅負極材料具有一項顯著的缺點,在充放電過程中,硅負極材料會體積膨脹300%,這將導致硅負極材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,最終致使材料粉化,降低硅負極材料的容量。為了解決這個問題,一般會進行摻雜改性。

美國安普瑞斯公司開發(fā)了多種硅納米結(jié)構(gòu)和電化學體系,安普瑞斯在2012年設計和演示了用于鋰離子電池的高容量硅納米線負極以及制造技術,并在2016年完成了硅納米線負極生產(chǎn)線的制備并在其中國無錫公司投入中試生產(chǎn)。

除美國安普瑞斯外,美國特斯拉公司通過在人造石墨中加入10%的硅基材料開發(fā)了硅碳負極并應用于Model 3上,電池容量達到了550mAh/g以上。

此外,日本日立化成、日本信越化學、三星尖端技術研究所等企業(yè)都對硅基負極材料進行了研究。

▲貝特瑞的研發(fā)人員

國內(nèi)方面,2017年,貝特瑞研究院開發(fā)了全球第一款商業(yè)化的硅碳負極材料,其能量密度較傳統(tǒng)負極材料提升一倍以上。除了貝特瑞之外,國內(nèi)的清華大學、中科院、中南大學等科研院所也對硅基負極材料進行了廣泛的研究。

(三)錫基合金負極材料

錫基負極材料的研究首先起源于日本精工電子工業(yè)公司,隨后日本三洋以及國內(nèi)各大科研院所也進行了大量的研究。錫基合金主要利用Sn可以與Li形成Li22Sn4的合金,具有很高的理論容量。但是,當Li與Sn形成LixSn時,體積會膨脹,并且金屬間相LixSn具有脆性,造成負極材料循環(huán)性能不佳。因此需要摻雜一種非活性、質(zhì)軟的金屬,以便在Li插入Sn中時,由于摻雜金屬的存在降低負極材料的體積變化。

國外方面,日本三洋電機研究了Sn/Cu合金薄膜,首次放電容量為940 mAh g?1,首次庫倫效率為93%。日本早稻田大學開發(fā)了Sn/Ni合金薄膜,循環(huán)70次仍具有650 mAh g?1的容量。

國內(nèi)方面,清華大學、北京大學、吉林大學、天津大學等高校都有相關研究發(fā)表。

(四)小結(jié)

各大廠商紛紛發(fā)力研究先進的電池技術,正極材料主要以高鎳型鎳鈷錳酸鋰(NCM)正極材料為代表,目前國內(nèi)已經(jīng)有企業(yè)具有NCM622型技術,但是NCM811型仍需要進一步的研發(fā)。

負極材料方面,石墨材料占據(jù)著大量的市場份額,具有成本低廉的優(yōu)勢,在國內(nèi)基本全面實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,在未來幾年內(nèi)仍將會是負極的首選材料,貝特瑞、日立化學、三菱化學是典型企業(yè)的代表。

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,對負極材料的性能要求越來越高,常規(guī)石墨負極材料的性能已經(jīng)難以滿足發(fā)展的需要,因此,對新型正負極材料的需求將會越來越突出,高鎳正極材料、硅碳負極將會是未來發(fā)展方向。

▲美國Altairnano公司產(chǎn)品

在本結(jié)最后,需要提及一下鈦酸鋰負極材料。鈦酸鋰負極材料具有如下優(yōu)點:首先,原材料豐富、成本較低、工藝相對簡單;其次,充放電效率高、循環(huán)壽命長、可快充;再次,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、化學穩(wěn)定性優(yōu)異;最后,安全性優(yōu)異;鈦酸鋰動力電池在市場上的應用主要以新能源客車和公交為主,技術上國內(nèi)外相差不大,國外以日本東芝公司美國Altairnano公司為主,國內(nèi)湖州微宏動力珠海銀?。ū桓窳κ召彛?/strong>等企業(yè)具有產(chǎn)能。

負極材料原本是石墨材料的天下,鈦酸鋰負極材料占有量并不大。但是格力董明珠的強勢介入把鈦酸鋰負極材料推到了風口浪尖。鈦酸鋰負極材料的應用前景褒貶不一,但是需要注意的是,鈦酸鋰負極材料具有可快充、壽命長、耐熱耐寒的優(yōu)點,這是其他電池技術不具備的,目前鈦酸鋰負極材料究竟能掀起多大的風浪仍需市場考驗。

下一代電池技術

(一)全固態(tài)電池技術

前不久,三星公司的電池爆炸事件再次將現(xiàn)有電池技術的安全問題推到了風口浪尖,人們迫切需要更加安全的電池技術。傳統(tǒng)的電池技術往往采用液體有機電解液,這也是造成電池安全性問題的主要原因。為了解決上述的安全性問題,同時提高能量密度,目前世界各國都在加緊研發(fā)全固態(tài)電池技術,采用固態(tài)的電解質(zhì)材料替換傳統(tǒng)的鋰離子電池隔膜和電解液材料。

雖然世界各國都在全固態(tài)電池技術上取得了重大突破,但是目前總體上全固態(tài)電池技術仍具有一定的缺陷,主要為首先,總體而言固態(tài)電解質(zhì)跟傳統(tǒng)電解液相比電導率偏低,內(nèi)阻較大,高倍率放電時電壓降較大。其次,目前制備工藝較為復雜、技術不成熟,導致了生產(chǎn)成本居高不下。

目前,全固態(tài)電池技術被認為是電池技術的未來,采用全固態(tài)電池技術可大幅度提高電池的安全性能,同時提升電池的能量密度,世界各大廠商紛紛布局。英國的James Dyson于2015年收購了固態(tài)電池制造商Sakti3,并表示會出資十幾億美元用于開發(fā)固態(tài)電池。此外,德國博世也于2015年收購了美國電池制造商Seeo,隨后又與日本著名電池企業(yè)杰士湯淺以及三菱重工合作開發(fā)固態(tài)鋰離子電池技術。寶馬公司在2017年2月宣布計劃在2026年公布采用固態(tài)電解質(zhì)的突破性車載電池技術,可降低重量,提高電池安全性。除了以上企業(yè)外,美國馬里蘭大學、東京工業(yè)大學、日本豐橋技術科學大學、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院等研究機構(gòu)均具有全固態(tài)電池技術。

▲南策文院士

我國也在全固態(tài)電池領域取得了一定的進展,2016年年末,清陶(昆山)能源發(fā)展有限公司清陶(昆山)新能源材料研究院宣布將爭取在2017年9月量產(chǎn)全固態(tài)鋰電池產(chǎn)品。該研究團隊由清華大學南策文院士團隊創(chuàng)建,將會在材料、器件、裝備多個領域?qū)θ虘B(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化開發(fā)進行攻關。

除清陶外,寧德時代新能源也在積極開發(fā)部署固態(tài)鋰金屬電池技術,無獨有偶2016年底,珈偉股份也發(fā)布了其首例固態(tài)鋰電池產(chǎn)品,說明我國全固態(tài)電池技術正在快速發(fā)展,徹底解決電池安全性問題并非遙不可及。

(二)鈉離子電池技術

地殼中鈉元素的含量非常豐富,鈉元素含量為2.74%而鋰的含量為0.0065%,鈉元素是鋰元素的422倍。鈉元素因含量豐富、價格低廉、環(huán)境友好、與鋰的電化學性能相似而獲得廣泛研究。鈉離子電池具有與鋰離子電池類似的工作原理,正負極由兩種不同的鈉離子嵌入化合物組成。充電時,Na+從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極,同時電子的補償電荷經(jīng)外電路供給到負極,保證正負極電荷平衡。放電時則相反,Na從負極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極。

影響鈉離子電池的技術難點主要為鈉離子的離子半徑(r=0.113 nm)比鋰離子(r=0.076 nm)大35%以上,由此引起脫嵌動力學困難,并造成結(jié)構(gòu)的坍塌。此外,鈉離子電池的能量密度低于鋰離子電池也是影響鈉離子電池發(fā)展的原因。

針對上述問題,可以從以下幾方面解決,首先,構(gòu)建大隧道、導電性良好的材料以提高鈉離子擴散動力學穩(wěn)定結(jié)構(gòu);其次,通過摻雜來提高元素穩(wěn)定性;再次,開發(fā)無氧的材料結(jié)構(gòu),減弱鈉離子的鍵合作用;最后,開拓非晶材料結(jié)構(gòu),為鈉離子的遷移提供更寬松的環(huán)境。

目前,日本的產(chǎn)綜研、韓國蔚山科學技術大學、韓國首爾大學、德國伊爾梅瑙理工大學以及國內(nèi)的中科院和武漢大學等科研機構(gòu)都在鈉離子電池領域取得了重大的進展。此外,日本住友電氣、日本住友化學、日本杰士湯淺、日本三菱化學以及日本豐田等公司均對鈉離子電池進行了研究。

(三)鋰硫電池技術

鋰硫電池是一種新型二次電池體系,電池結(jié)構(gòu)以金屬鋰為負極、單質(zhì)硫為正極而構(gòu)成,其具有原材料含量豐富,制備成本低廉,環(huán)境友好等特點。鋰硫電池中硫正極的理論比容量可以達到1675 mAh/g,金屬鋰負極的理論容量更是高達3860 mAh/g,這致使鋰-硫電池體系具有高達2600 Wh/kg的理論比能量值,為現(xiàn)有鋰電池的五倍左右,是最具發(fā)展?jié)摿Φ母吣芑瘜W電源體系之一。

鋰硫電池技術目前仍具有較多的問題需要解決,這也是阻礙其商品化的重要原因。其一,硫以及多硫化合物中間產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與形貌的變化將導致硫電極的接觸不穩(wěn)定;其二,溶解的多硫化合物具有“穿梭效應”會使活性物質(zhì)流失導致比容量的急劇衰減;其三,充放電過程中電極容易發(fā)生體積膨脹;其四,硫的自放電現(xiàn)象導致了電池容量的損失;其五,沉積在負極上的鋰會導致鋰枝晶的生長,造成安全隱患。

目前,鋰硫電池技術也是國內(nèi)外廣泛研究的下一代電池技術之一。美國馬里蘭大學的研究團隊制備了新型鋰硫電池復合正極材料。采用Li2S作為活性材料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作為碳源,Li6PS5Cl作為固態(tài)電解質(zhì),經(jīng)過共沉淀和高溫碳化處理制得。這種復合電極具有優(yōu)秀的倍率性能,在50 mA/g的電流密度下循環(huán)60次,相對容量可高達830 mAh/g。

我國也對鋰硫電池進行了相關研究,北京大學的研究團隊以瓊脂為原材料,采用高溫碳化工藝制備了一種三維垂直排列多孔碳納米片并應用于鋰-硫電池中。在837 mAh/g的電流密度下得到了高達844 mAh/g的穩(wěn)定可逆容量以及幾乎為100%的庫倫效率。循環(huán)300次后,容量保持率約為80.3%,倍率性能優(yōu)異。

(四)鋰空氣電池技術

鋰空氣電池是金屬空氣電池的一種,主要由鋰(金屬)負極、空氣電極和電解液組成??諝怆姌O可以持續(xù)的從周圍環(huán)境中汲取反應所需的活性物質(zhì),也就是氧氣,這也使其具有很高的理論比能量。金屬空氣電極有多個種類,包括鋰空氣電池、鋅空氣電池、鎂空氣電池、鋁空氣電池等,其中鋰空氣電池具有最高的理論比能量。

鋰空氣電池被認為是電動汽車的終極動力來源,此前,福特公司的研究團隊曾在鋰空氣電池中引入雙極板構(gòu)型,所開發(fā)的電池能量密度和功率密度都達到了美國先進電池聯(lián)合會的要求,但是成本過高無法大范圍推廣。除福特外,豐田、IBM都對鋰空氣電池進行了大量研究,但是目前尚無產(chǎn)業(yè)化。

發(fā)展至今,鋰空氣電池仍然是一種概念性電池技術,有著多種無法解決的問題,真正的產(chǎn)業(yè)化之路至少還需要10年的時間。

(五)小結(jié)

在下一代電池技術中,全固態(tài)電池技術近年來獲得了快速的發(fā)展,世界各國都投入了大量的研究,極具應用前景和產(chǎn)業(yè)化前景。鈉離子電池因為鈉元素的廣泛存在而獲得了大量日本企業(yè)和高校的研究,但是目前仍需要解決負極的問題。此外,鋰空氣電池技術爭議最大,目前存在多種無法解決的難題,炒作大于實際應用,產(chǎn)業(yè)化前景渺茫。

    轉(zhuǎn)藏 分享 獻花(0

    0條評論

    發(fā)表

    請遵守用戶 評論公約

    類似文章 更多

    精产国品一二三区麻豆| 在线日韩中文字幕一区| 国产成人午夜在线视频| 久久精品国产熟女精品| 少妇丰满a一区二区三区| 色播五月激情五月婷婷| 国产精品刮毛视频不卡| 亚洲国产精品一区二区| 亚洲成人精品免费在线观看| 麻豆视传媒短视频在线看| 99久久成人精品国产免费| 五月婷婷欧美中文字幕| 亚洲综合色婷婷七月丁香| 中文字幕一区二区熟女| 成人欧美精品一区二区三区| 久久91精品国产亚洲| 午夜色午夜视频之日本| 欧美激情中文字幕综合八区| 国产日韩中文视频一区| 国产人妻精品区一区二区三区| 国产精品久久男人的天堂| 五月天婷亚洲天婷综合网| 国产日韩精品激情在线观看| 日本免费一区二区三女| 欧美日韩精品一区免费| 内射精子视频欧美一区二区| 我的性感妹妹在线观看| 九九热这里只有免费精品| 日本一区二区三区久久娇喘| 国产一区二区三中文字幕 | 美日韩一区二区精品系列| 人妻久久这里只有精品| 国产亚洲精品俞拍视频福利区| 国产精品午夜小视频观看| 内射精品欧美一区二区三区久久久 | 亚洲中文字幕亲近伦片| 91亚洲精品亚洲国产| 99久久精品免费看国产高清| 久久99青青精品免费观看| 黑人巨大精品欧美一区二区区| 中文字幕久热精品视频在线|