納米矽、鈦酸鋰、鈉離子…我國鋰電研究進展碩果纍纍
2020-12-11 電子發燒友納米矽、鈦酸鋰、鈉離子…我國鋰電研究進展碩果纍纍
綜合報導 發表於 2020-12-10 09:34:23
一、中科院物理研發納米矽負極材料
矽被用於電腦晶片和許多其他產品，因具有十倍於石墨負極的儲鋰容量，被認為是下一代鋰離子電池的理想負極。然而，矽負極在鋰化/去鋰化過程中涉及巨大的體積變化，導致其循環穩定性較差，並且太弱而無法承受電極製造的壓力，制約了矽基負極的實際應用。
80歲的中國工程院院士陳立泉是中國鋰電產業的奠基人，1996年，他帶領科研團隊在國內率先研製出鋰離子電池，率先解決了國內鋰離子電池規模化生產的科學技術與工程問題，實現了國內鋰離子電池的產業化。
在江蘇溧陽，陳立泉院士的得意門生李泓，帶領團隊經過二十多年的技術攻關，在一項鋰電池關鍵原材料上獲得突破，並在2017年進行了量產。
據介紹，中科院物理所從1996年就開始研究納米矽，納米矽負極材料是他們自主研發的新材料，用它做成的紐扣電池，其容量是傳統石墨鋰電池的5倍。同時，李泓教授研發的新型固態電池，採用這款電池的無人機，續航增加20%，奧秘都在這塊電池的固態化正極材料上。
2018年，這裡已經完成了300Wh/kg固態動力電池系統的設計開發，在車輛上搭載後，可以使整車續航裡程增加一倍。在今年5月份，這類固態電池已經開始在消費類電子產品中使用。
二、銀隆研究院研發鈦酸鋰電池
廣東珠海的銀隆新能源儲能系統研究院也在探索新能源電池的技術、新材料，鈦酸鋰電池就是其研發的一個重要項目。
電動汽車對於動力電池的要求基本是能量密度和功率密度要高、成本要低、充電速度要快、壽命長、安全可靠等。電池又包括正極材料、負極材料、電解質、隔膜這四大關鍵材料，每個材料的創新應用，可能都會給電池性能帶來提升。鈦酸鋰是負極材料的派生系，即負極用鈦酸鋰取代原來的碳材料。而用鈦酸鋰代替碳材料之後，最大的好處就是可快速充電，壽命長，不怕高溫和低溫。
與碳負極材料相比，鈦酸鋰材料被稱為「零應變材料」，其穩定性高，具有更高的嵌鋰電位（1.55V），從根本上消除了金屬鋰枝晶的產生，降低了電池發生內部短路的風險。此外，鈦酸鋰與電解液之間的反應活性較低，幾乎不生成SEI膜，因而具有很好的循環穩定性和安全性。
搭載鈦酸鋰電池的公交車充電三分鐘，電量就從33%充到60%以上，僅僅8分鐘，公交車就已充滿了，電量顯示99%。
而且公交車線路固定，一般一個來回的公裡數不會超過100公裡，利用公交車司機休息的空擋，就可以充分發揮鈦酸鋰電池充電快的優勢。而且工作溫度寬泛，在零下50℃的環境中，仍能正常充放電。同時，該電池的循環放電壽命長，這家研究院，有一塊鈦酸鋰電池，在2014年開始就已進行充放電循環試驗，如今已過了六年時間，充放電超過3萬次，電池容量只衰減了不到10%，性能十分優異。
更值得關注的是，這款電池的熱失控保護性能更令人驚嘆，技術人員現場演示了鈦酸鋰電池跌落、針刺、切割試驗。特別是鋼針刺穿電池後，沒有發生燃燒、冒煙現象，而且電池還能正常使用。
不過，鈦酸鋰電池雖然具有這麼多優點，但是能量密度不夠高，目前磷酸鐵鋰電池系統能量密度已經達到160wh/kg，而鈦酸鋰電池僅約50wh/kg，差了3倍不止。因此，他們把電池的目標市場分，放在了公交車、專用車，以及儲能電站等對能量密度要求不高的應用場景中。
三、中科海鈉研發新型鈉離子電池
中科海鈉團隊成員來自被稱為「電池研發國家隊」的中科院物理所二次電池研發團隊，其開發的鈉離子電池產品在性能上對標鋰電池，包括使用壽命相當，快充快放，且能量密度可達 140Wh/kg。而在成本上則明顯優於鋰電池，甚至可以比肩在市場上處於低端的鉛酸電池。該電池負極材料以煤作為原料，正極以廉價金屬氧化物為原料，成本優勢明顯。
今年，中科海鈉的鈉離子電池產品已經實現量產，是全球首款具備自主智慧財產權的產品化鈉離子電池。該公司數據顯示，目前電芯產能可達 30 萬隻/月，而且已經獲得了來自印度市場的訂單。
在上世紀 70 年代，鈉離子電池和鋰離子電池都是電池領域科學家研究的重點方向。讓兩者真正分野的索尼在 90 年代成功將鋰電池商用化，在消費電子領域大面積鋪開了鋰離子電池。商用化的順利進行反向抑制了鈉離子電池技術路線的發展。此後，雖然應用前景廣大，鈉離子電池的研究卻一直沒有取得決定性的突破。
鈉離子電池再次進入主流科學家的視野是在最近十餘年。在全球擁抱鋰電池之後，科學家通過計算認為，如果說地球上的內燃動力都換成電池動力，鋰電池是不夠的，主要原因是鋰元素本身不足。
中科海鈉 CEO 唐堃表示，地球上的鋰大概有不到 7000 萬噸，而鈉的存量大概比鋰大三個數量級，在整個地球的元素豐度中佔 2.3%，可謂取之不盡用之不竭。在「前瞻性」思維的推動下，鈉離子電池路線重新獲得了研究者的關注。且鈉離子原理跟鋰電池完全一樣，工藝也基本一樣，只是金屬元素性質上存在一些差別，因此鈉離子電池成為一個順理成章的替代選擇。
總結
經過多年的發展，中國鋰電產業鏈快速崛起，在鋰電池的研發方面投入不斷加大，攻克眾多電極材料難題，為加速推動新能源的普及與應用提供了道路方向。發展便捷高效的新型儲能技術具有重要意義，憑藉一線科學研究者的努力，加上國家政策的扶持，中國鋰電未來會有更多成績，為解決儲能問題提供有力探索。
本文由電子發燒友綜合報導，內容參考自中科海鈉、CnBeta，轉載請註明以上來源。
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