鋰電池技術(shù)在進(jìn)步 但缺乏革命性改變
時(shí)間:2015-05-18 09:32來(lái)源:未知 作者:火 凡
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近期科技部發(fā)布了《國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)施方案(征求意見稿)》，明確提出動(dòng)力電池的單體比能量2015年底達(dá)到200瓦時(shí)/公斤，2020年達(dá)到300瓦時(shí)/公斤。
眾所周知，當(dāng)前各種不同材料的鋰電池單體比能量最高也就在200瓦時(shí)/公斤，這已經(jīng)是部分鋰電池的極限，而單體比能量300瓦時(shí)/公斤已經(jīng)超出了部分鋰電池的理論值。未來(lái)鋰電池究竟該走向何方？
技術(shù)在進(jìn)步 但缺乏革命性改變
回首過(guò)往十年，鋰電池技術(shù)在不斷進(jìn)步，最為明顯的感受就是電池容量明顯增加了。用過(guò)筆記本電腦的人都知道，2005年筆記本電腦的續(xù)航時(shí)間一般都在2個(gè)小時(shí)左右，差點(diǎn)只有1個(gè)小時(shí)，而現(xiàn)在筆記本電腦的續(xù)航時(shí)間普遍在5個(gè)小時(shí)以上，有的甚至可以達(dá)到10個(gè)小時(shí)。
技術(shù)進(jìn)步的另一明顯好處就是價(jià)格在不斷下滑。價(jià)格下滑使得鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，擠占鎳氫、鎳鎘、鉛酸等二次電池的市場(chǎng)。
其他方面的進(jìn)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(dǎo)地位，方形、圓柱形、軟包電池逐步形成三足鼎立之勢(shì)；充電時(shí)間明顯縮短，10年前一塊手機(jī)電池充滿需5-6個(gè)小時(shí)，現(xiàn)在一般只要2-3個(gè)小時(shí)，這還是在容量翻倍的情況下……
客觀來(lái)看，鋰電池在這十年間的技術(shù)進(jìn)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(jié)構(gòu)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(chǎng)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(bào)道屢見不鮮，硅負(fù)極、金屬負(fù)極等能夠解決一切問題的新型負(fù)極材料頻繁見諸報(bào)端，石墨烯、碳納米管等新材料應(yīng)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(shí)際產(chǎn)品卻還沒有。
然而，下游應(yīng)用市場(chǎng)正在發(fā)生根本性變化，手機(jī)已經(jīng)完成了從功能手機(jī)到智能手機(jī)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(lǐng)了部分市場(chǎng)，電動(dòng)汽車的興起正在引領(lǐng)汽車革命，可穿戴設(shè)備正在快速興起，這些都對(duì)鋰電池提出了更高的要求。
事實(shí)是，目前鋰電池還達(dá)不到智能手機(jī)、電動(dòng)汽車提出的要求。2005年手機(jī)電池容量只有1000mAh左右，其待機(jī)時(shí)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(dá)到3000mAh的手機(jī)待機(jī)時(shí)間能有2天就不錯(cuò)了，實(shí)際用起來(lái)連一天都堅(jiān)持不了。
作為消費(fèi)電子產(chǎn)品，手機(jī)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(dòng)電源的出現(xiàn)進(jìn)一步解決了外出無(wú)法充電難題，所以手機(jī)電池問題還不是很突出。
但電動(dòng)汽車就完全不一樣了。大部分電動(dòng)汽車的續(xù)航歷程只有200公里左右，這與內(nèi)燃機(jī)汽車500-600公里的續(xù)航歷程相比差距甚遠(yuǎn)，就算是特斯拉也只能達(dá)到400公里，這是增加了大量鋰電池的結(jié)果。
這還不是最大的問題，真正影響電動(dòng)汽車使用的還是充電時(shí)間長(zhǎng)、充電設(shè)施嚴(yán)重不足。正常速度下，電動(dòng)汽車的動(dòng)力鋰電池完全充滿需要4-8個(gè)小時(shí)。如果加快速度的話，可以在1-2小時(shí)內(nèi)充滿，但會(huì)影響到動(dòng)力鋰電池的性能及壽命。
已有實(shí)驗(yàn)證明，如果一直采用快速充電，動(dòng)力鋰電池的壽命會(huì)驟減至原來(lái)的三分之一，且電池性能會(huì)顯著下滑，安全事故發(fā)生概率大大增加。內(nèi)燃機(jī)汽車則不存在這樣的問題，加油或者加氣時(shí)間不超過(guò)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，使用非常快捷方便。更為重要的是，鋰電池作為汽車動(dòng)力的成本太高，已經(jīng)占到電動(dòng)汽車總成本的一半左右。
體系嚴(yán)密 牽一發(fā)而動(dòng)全身
鋰電池看起來(lái)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液，再加上電極。事實(shí)上，別看它不起眼，鋰電池材料體系非常嚴(yán)密，真正是牽一發(fā)而動(dòng)全身。如果要?jiǎng)铀呐乱环忠缓粒僭O(shè)只是一個(gè)電極換成新材料，沒有長(zhǎng)年累月的測(cè)試，誰(shuí)也不敢打包票。
鋰電池從上世紀(jì)七十年代問世，到九十年代由索尼實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，再到今天鋰電池已經(jīng)誕生了近半個(gè)世紀(jì)，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(jìn)步不小。
但實(shí)際上每種正極材料從發(fā)明到實(shí)際應(yīng)用再到鋰電池量產(chǎn)，至少花費(fèi)了上十年時(shí)間。每種正極材料的改變，就算不改變負(fù)極材料，其電解液的組成以及隔膜都要做出相應(yīng)改變，以達(dá)到最佳匹配效果，同時(shí)還要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的安全測(cè)試，驗(yàn)證其安全性，最后還要經(jīng)過(guò)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程，這樣才能步入市場(chǎng)。不僅如此，其還需要市場(chǎng)檢驗(yàn)和客戶認(rèn)可，同樣需要花費(fèi)時(shí)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(shù)報(bào)道層出不窮，而鋰電池本身進(jìn)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(dòng)鋰電池材料體系的情況下，在制造工藝以及電池管理技術(shù)上改進(jìn)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(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)果。
同時(shí)，為了滿足可穿戴設(shè)備等新產(chǎn)品的需求，松下開發(fā)出直徑為3.5mm、長(zhǎng)度為1cm的針型鋰電池，三星則推出了直徑3.6mm、長(zhǎng)約20mm的超小型Pin電池。隨著智能手機(jī)柔性化趨勢(shì)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(shù)方面，特斯拉是其中的典范，其先進(jìn)的電池管理技術(shù)，創(chuàng)造性將超過(guò)6000個(gè)圓柱型鋰電池單體通過(guò)串并聯(lián)方式成組，成功降低了電池成本，提高了儲(chǔ)能效率，為特斯拉引領(lǐng)電動(dòng)汽車變革奠定了基礎(chǔ)。
未來(lái)路在何方
盡管特斯拉為電動(dòng)汽車發(fā)展提供了全新的發(fā)展思路，但只是治標(biāo)不治本，在鋰電池性能沒有明顯提升的情況下，電動(dòng)汽車想大規(guī)模推廣難度非常大。那么問題來(lái)了，鋰電池性能如何進(jìn)一步提升？未來(lái)向什么方向發(fā)展？
筆者認(rèn)為，應(yīng)用市場(chǎng)需求是帶動(dòng)鋰電池進(jìn)步最大的力量。二次電池的發(fā)展歷史充分證明了這一點(diǎn)，鎳鎘、鎳氫等電池的興起在于小型消費(fèi)電池產(chǎn)品市場(chǎng)的帶動(dòng)，而衰落也在于這一市場(chǎng)被鋰電池所蠶食。
鉛酸電池能夠占據(jù)二次電池最大市場(chǎng)份額，在于其占據(jù)汽車啟動(dòng)電池市場(chǎng)，這也是其經(jīng)久不衰的根本所在，但由于其缺乏新的應(yīng)用市場(chǎng)，鉛酸電池技術(shù)進(jìn)步十分有限，同時(shí)還面臨著鋰電池的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)。
當(dāng)前，鋰電池已經(jīng)完全占據(jù)消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)。隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品不斷發(fā)生變革，鋰電池也在不斷進(jìn)步。由于目前還沒有出現(xiàn)能夠在消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)與鋰電池競(jìng)爭(zhēng)的二次電池，鋰電池還將占據(jù)消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)很長(zhǎng)一段時(shí)間。
同時(shí)，鋰電池正在逐步打開在電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車等動(dòng)力電池市場(chǎng)，為其未來(lái)技術(shù)進(jìn)步提供了良好的動(dòng)力，再加上其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(shù)變革提供了難得的歷史機(jī)遇期。
因此，筆者認(rèn)為，鋰電池未來(lái)發(fā)展方向應(yīng)該瞄準(zhǔn)動(dòng)力電池、儲(chǔ)能電池，在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手尚未發(fā)展起來(lái)的機(jī)遇期，通過(guò)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(lǐng)汽車動(dòng)力市場(chǎng)，拓展儲(chǔ)能市場(chǎng)，擠占鉛酸電池市場(chǎng)空間，利用產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)對(duì)燃料電池、液流電池等新型電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程造成影響，進(jìn)而搶占有利競(jìng)爭(zhēng)地位。
要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，最根本還在于鋰電池實(shí)現(xiàn)革命性變化。從當(dāng)前鋰電池的材料結(jié)構(gòu)看，正極材料已經(jīng)成為制約其性能提升的最關(guān)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(dāng)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(duì)于負(fù)極材料而言；二是實(shí)際比能量和理論值還有較大差距；三是鋰電池充電時(shí)間過(guò)快的話就易造成正極材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因此，筆者認(rèn)為要實(shí)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(shí)際比能量高、溫度特性好、材料來(lái)源豐富、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、成本較低等特性，從材料特性以及過(guò)往的正極材料研究歷史看，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)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(yùn)用以納米技術(shù)為代表的新材料制備技術(shù)以及碳納米管、石墨烯等新材料，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有正極材料改性、包覆等手段，改進(jìn)現(xiàn)有正極材料制備工藝，解決當(dāng)前正極材料存在的實(shí)際比能量低、充電時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高等問題，加快鋰電池在動(dòng)力市場(chǎng)、儲(chǔ)能市場(chǎng)的應(yīng)用。
筆者認(rèn)為第二種方法實(shí)現(xiàn)的可能性較大，一是它不需要對(duì)現(xiàn)有鋰電池材料體系做大的改變，只需要細(xì)微調(diào)整，難度低、時(shí)間短；二是納米技術(shù)等新技術(shù)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(yīng)用奠定了很好的基礎(chǔ)。
一旦正極材料實(shí)現(xiàn)突破，也必然要求鋰電池整個(gè)材料體系發(fā)生變化，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)鋰電池性能根本性提升。當(dāng)然，隔膜、電解液要實(shí)現(xiàn)突破也是存在難度的，相較而言，負(fù)極材料突破的難度就小得多。另外，電池制備技術(shù)和電池成組技術(shù)進(jìn)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(zé)任編輯：王杰)
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