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中科院院士孫世剛:現有鋰離子電池的能量密度已接近理論極限

澎湃新聞記者 森寧
2022-11-09 20:29
来源:澎湃新聞
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盡管蓬勃發(fā)展甚至引領世界,我國鋰電產業(yè)的發(fā)展仍需立足技術創(chuàng)新,居安思危。

11月9日,在中國(遂寧)國際鋰電產業(yè)大會暨新能源汽車及動力電池國際交流會上,中國科學院院士、廈門大學教授孫世剛表示,我國鋰電產業(yè)現有的發(fā)展面臨著資源、能量、安全、使用環(huán)境等四方面重大挑戰(zhàn)。

首先是資源的消耗。據孫世剛介紹,目前,生產1KW鋰離子電池要使用用0.5kg鋰,根據美國地質勘探局最新的調查數據,世界金屬鋰的儲量為1350萬噸左右(鋰資源儲量總計約3950萬噸),僅可用100多年。我國鋰資源在全球排第六,資源以鹽湖為主,鋰含量低,鎂鋰比高,提取難度大,70%的鋰依賴進口,而預計到2025年我國鋰電產能將達到約3900GWh,預計需要約39萬噸鋰金屬。

其次是現有鋰離子電池能量密度已經接近理論極限。“電池的能量密度與電池的原理有關,比如鋰離子電池的能量密度跟反應電子束、活性物質的重量和密度都有關系,”孫世剛說,“目前的鋰離子電池的能量密度是接近了天花板。”

據了解,目前主流的磷酸鐵鋰電池的能量密度在200Wh/kg以下,三元鋰電池的能量密度在200-300Wh/kg之間。鋰離子電池的能量密度遠不能滿足重大發(fā)展的需求,限制了多場景的應用。要提高無人機等裝備的航速和航程,都需要大幅度提高電池的能量和功率密度。

值得一提的是,就在上月,美國國家航空航天局(NASA)宣布其研發(fā)成功了硫硒純固態(tài)電池,電解質材料利用廉價并易獲得的硫,不含液體,電池能量密度達到了500Wh/kg,是目前特斯拉4680圓柱形鋰離子電池的約兩倍。NASA宣布,該技術未來將在電動飛機上推廣。      ·      

孫世剛指出,現有鋰離子電池面對的挑戰(zhàn)還包括安全事故多發(fā)。鋰離子電池容易發(fā)生電池熱失控,通常的原因包括過充誘發(fā)電池正極材料產氣使得電池脹裂,快充導致電池負極析鋰誘發(fā)短路,以及快充快速升溫從而使電解質液體燃燒。

最后是電池使用環(huán)境受限,在低溫環(huán)境中,鋰離子電池的電解液黏度會變大,離子遷移速度變慢,充放電能量急劇衰減。高溫狀態(tài)下,電池正負極界面膜不穩(wěn)定,導致材料結構破壞,產氣易爆。而在深空、深海等應用場景,都需要電池具有更高更寬的溫度范圍。

因此,針對資源、能量、安全、極端環(huán)境的四大挑戰(zhàn),孫世剛表示,從技術創(chuàng)新的角度,需要在材料、界面、傳輸、系統等四個層面予以解決。

首先提升電池體系的能量密度,包括構建高容量高電壓正極,高容量低電壓負極。正極材料的選擇上,將由鈷酸鋰到磷酸鐵鋰,到高鎳三元材料,最終往硫、氧元素方向發(fā)展。在負極材料的選擇上,由現有的石墨,到硅,最終往鋰金屬發(fā)展。不過,使用鋰金屬負極和高電壓正極也會帶來安全性的問題。

“以鋰金屬負極來說,鋰的理論比容量很高,能夠達到3000mAh/g,但是使用中容易形成鋰枝晶刺穿電池隔膜,形成電池短路。而正極的高壓高比容量材料不穩(wěn)定,高電壓電極材料結構容易破壞,同時造成電解液分解。

孫世剛說,對于鋰金屬,不光是基礎研究領域,業(yè)界也做了很多試驗性嘗試,例如構筑人工SEI膜,構筑三維結構金屬負極,調控鋰金屬電極和電解液的界面,從而提高電池的循環(huán)壽命。“終極目標是加入添加劑,調控材料生長的過程,使它不長成枝晶,但這方面的研發(fā)非常難,需要大力發(fā)展下去。”而在正極材料方面,則需要通過調控層狀正極材料的表面結構,強化鋰離子傳輸過程,從而顯著提升鋰離子電池的能量密度和功率密度。

而為了進一步地提高電池安全性能,目前的研究還包括強化鋰離子電池中的“三傳”過程,包括強化鋰離子傳輸通道,維持材料在微觀尺度下的結構穩(wěn)定;強化電子傳輸通道,維持電極和電池的導電網絡;強化電池熱傳出,抑制電池熱失控。

在下一代鋰電池的路線上,孫世剛介紹了鋰硫電池,鋰-空氣電池、鋰-氟碳電池等技術,而在對下一代非鋰電池的展望中,鈉離子電池也被孫世剛看好。鈉在地球上儲量排在第六位,具有與鋰相似的化學性質,但由于鈉原子半徑更大,電化學勢比較低,鈉離子電池能量密度上與鋰離子電池相比有先天劣勢。鈉離子電池的發(fā)展需要在儲鈉新材料、新型電解液方面有所突破。

“目前一些傳統的負極硬碳材料已經實現產業(yè)化,正極的層狀氧化物、普魯士藍材料也進入市場。但鈉離子電池要進一步提高性能,降低成本,要能夠像鋰離子電池一樣實現大規(guī)模利用。”孫世剛說。

    责任编辑:康逸梅
    校对:丁曉
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