美國(guó)提出新方案提升鋰離子電池能量密度

之前，麻省理工的科研人員，利用一種叫做M13的病毒來(lái)增加鋰離子-空氣電池的反應(yīng)面積，增大電池的能量密度，可讓電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航提升至550公里?，F(xiàn)在，美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了另外一種解決方案，能在現(xiàn)役的鋰離子電池基礎(chǔ)上增加兩倍的能量密度，同時(shí)在一定程度上提升電池壽命。

伯克利實(shí)驗(yàn)室所提出的解決方案是，在鋰離子電池中，用一種硫氧化石墨烯(S-GO)制成的納米復(fù)合材料作為陰極反應(yīng)物。使其放電效率高達(dá)6C(1C = 1.675 A/g硫元素)，充電效率高達(dá)3C，同時(shí)還能確保較高的能量密度(6C時(shí)可達(dá)800 mA·h/g硫)。此外，電池的完整循環(huán)充放電次數(shù)能超過(guò)1500次，單次衰退率只有0.039%。這可能是目前為止，鋰離子-硫電池所能實(shí)現(xiàn)的最好水平。

1500次完整循環(huán)充放電如何理解?大家可以想一下，如果一臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)每天都進(jìn)行一次完整的從0至100%的充放電循環(huán)的話，那么1500次足夠支持4年左右。也就說(shuō)，這臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)的電池在使用4年后就必須更換。而常用的鋰電池中，鈷酸鋰的循環(huán)次數(shù)可達(dá)500次左右，而磷酸鋰也只能達(dá)到1000次左右。也就是說(shuō)，隨著充放電次數(shù)的不斷增加，鋰離子電池的容量在不斷“衰退”。這其實(shí)跟使用次數(shù)沒(méi)有太大關(guān)系，造成衰退的主要原因是溫度。

據(jù)悉，這種新型的鋰離子-硫電池的單電池結(jié)構(gòu)(Cell-level)，能量密度可以達(dá)到500 W·h/kg，比當(dāng)前的鋰離子電池的密度(~200 W·h/kg)高出兩倍多。即便在經(jīng)過(guò)1500多次完整充放電后，其電量容量依然可以保持較高水平(740 mA·h/g硫)。如果要實(shí)現(xiàn)目前汽油車(chē)輛300英里(約480公里)的續(xù)航，那么單電池結(jié)構(gòu)的能量密度就必須要到達(dá)350至400W·h/kg。所以這種新型Li/S電池的能量密度理論上完全可以滿(mǎn)足這一需求。

不過(guò)，伯克利實(shí)驗(yàn)室的新構(gòu)想依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，那就是電池的壽命。盡管能實(shí)現(xiàn)1500次的完整循環(huán)充放電，但從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的角度講，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。原因是，在放電過(guò)程中，鋰離子的多硫化物容易從陰極消融，與鋰陽(yáng)極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Li2S，從而形成一個(gè)反應(yīng)屏障。這就是為什么在經(jīng)過(guò)幾次充放電后，電池的容量開(kāi)始減少。

目前在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域，鋰離子電池已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的鎳氫電池成為市場(chǎng)新寵，它的能量密度高、輸出功率大，并且沖、放電速度快。我們常見(jiàn)的，無(wú)論是鈷酸鋰電池還是磷酸鐵鋰電池，都是鋰離子電池的一種。盡管如此，當(dāng)前流行的鋰離子電池仍然存在幾大挑戰(zhàn)，如穩(wěn)定性較差、容量易衰退，以及能量密度依然不及汽油燃料。

這些限制造成了電動(dòng)汽車(chē)用車(chē)中所謂的“續(xù)航焦慮”(Range Anxiety)。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的普及來(lái)說(shuō)，這并不是個(gè)小問(wèn)題。尤其是沒(méi)有汽油機(jī)作為備用動(dòng)力的純電動(dòng)汽車(chē)。之前Elon Musk駕駛Model S橫跨美國(guó)，也是為了進(jìn)一步打消市場(chǎng)對(duì)Tesla電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力質(zhì)疑。目前，伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在尋求合作伙伴，來(lái)進(jìn)一步解決Li/S電池的壽命問(wèn)題。其中，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所也參與該技術(shù)的研究。