盡管蓬勃發(fā)展甚至引領(lǐng)世界，我國鋰電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍需立足技術(shù)創(chuàng)新，居安思危。
11月9日，在中國(遂寧)國際鋰電產(chǎn)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(xué)院院士、廈門大學(xué)教授孫世剛表示，我國鋰電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)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)。
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首先是資源的消耗。據(jù)孫世剛介紹，目前，生產(chǎn)1KW鋰離子電池要使用用0.5kg鋰，根據(jù)美國地質(zhì)勘探局最新的調(diào)查數(shù)據(jù)，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(yù)計到2025年我國鋰電產(chǎn)能將達到約3900GWh，預(yù)計需要約39萬噸鋰金屬。
其次是現(xiàn)有鋰離子電池能量密度已經(jīng)接近理論極限?！半姵氐哪芰棵芏扰c電池的原理有關(guān)，比如鋰離子電池的能量密度跟反應(yīng)電子束、活性物質(zhì)的重量和密度都有關(guān)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?！?/p>
據(jù)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(yīng)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(zhì)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(shù)未來將在電動飛機上推廣。 ·
孫世剛指出，現(xiàn)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(chǎn)氣使得電池脹裂，快充導(dǎo)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(zhì)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(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)氣易爆。而在深空、深海等應(yīng)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(shù)創(chuàng)新的角度，需要在材料、界面、傳輸、系統(tǒng)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(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(chǔ)研究領(lǐng)域，業(yè)界也做了很多試驗性嘗試，例如構(gòu)筑人工SEI膜，構(gòu)筑三維結(jié)構(gòu)金屬負極，調(diào)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?！敖K極目標是加入添加劑，調(diào)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(diào)控層狀正極材料的表面結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)穩(wěn)定；強化電子傳輸通道，維持電極和電池的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；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(shù)，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(xué)性質(zhì)，但由于鈉原子半徑更大，電化學(xué)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(tǒng)的負極硬碳材料已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)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(xiàn)大規(guī)模利用。”孫世剛說。
（文章來源：澎湃新聞）
標簽： 鋰離子電池
