搶奪先機(jī) 美日鋰電池產(chǎn)業(yè)投入不分伯仲

鋰離子電池是繼鎳鎘電池、鎳氫電池之后更具綠色環(huán)保、安全、性能優(yōu)異的二次可充電新型能源，也是近幾年出現(xiàn)的金屬鋰蓄電池的替代產(chǎn)品，具有工作電壓高、比能量大、放電電位曲線平穩(wěn)、自放電小、循環(huán)壽命長、低溫性能好、無記憶、無污染等突出的優(yōu)點(diǎn)。隨著電動(dòng)汽車市場的增長，預(yù)計(jì)未來鋰離子電池需求方面將持續(xù)擴(kuò)大，鋰離子電池行業(yè)發(fā)展較為迅速。
美國、日本兩大發(fā)達(dá)國家對(duì)于鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的投入可謂是不分伯仲。為了獲得電動(dòng)汽車市場先機(jī)，紛紛在鋰離子電池的充放電速度、新材料的研發(fā)等方面均取得顯著成果。
美國在鋰電池充放電領(lǐng)域研究成果顯著
鋰電池新材料：石墨烯
研究背景：美國倫斯勒理工學(xué)院(RPI)宣布，在用基于石墨烯的“紙”試制鋰離子充電電池(LIB)負(fù)極時(shí)發(fā)現(xiàn)，在能量密度相當(dāng)?shù)那闆r下，輸出密度提高到了石墨電極的10倍。論文也發(fā)表在了學(xué)術(shù)雜志《ACSNano》上。最近，將石墨烯用于蓄電池及電容器電極，獲得了高性能的發(fā)布一個(gè)接一個(gè)。
研發(fā)成果：倫斯勒理工學(xué)院教授NikhilKoratkar的研究小組，在氧化石墨烯薄片的還原上采用了照射激光或相機(jī)閃光的方法。由此，石墨烯雖得以還原，但出現(xiàn)了很多破洞和裂縫。據(jù)稱用這樣的石墨烯制成“紙”用作LIB的負(fù)極，結(jié)果獲得了相當(dāng)于石墨電極約10倍的輸出密度。
產(chǎn)品介紹：具體而言，即使進(jìn)行充放電率約為40C的快速充放電，電極的容量密度仍穩(wěn)定在156mAh/g，輸出密度達(dá)到了10kW/kg。據(jù)Koratkar等人介紹，還能進(jìn)行100C的充放電。
前景分析：論文表示該石墨烯電極能以低成本實(shí)現(xiàn)工業(yè)量產(chǎn)。Koratkar說：“技術(shù)已經(jīng)成熟，足可供商用，將大大推動(dòng)電動(dòng)汽車等所要求的快速充放電型電池”。
鋰電池新材料：壓電碳納米管
研究背景：據(jù)國外媒體報(bào)道，美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種新的鋰離子電池，當(dāng)這種電池被壓縮或彎曲時(shí)，它可以通過一些化學(xué)變化給自己充電。
研發(fā)成果：研究人員拋棄了容納電池電解質(zhì)(一種凝膠物，以化學(xué)方式存儲(chǔ)電能)的塑料容器，代之以一層壓電碳納米管(它把運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成能量)，從而開發(fā)出這種可以把運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能和化學(xué)能的混合動(dòng)力電池。
產(chǎn)品介紹：在通常情況下，壓電設(shè)備會(huì)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，然后再通過標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池中的充電電路，將其轉(zhuǎn)換成化學(xué)能。而這種新的混合動(dòng)力電池可以直接影響其自身內(nèi)部的離子流，因此研究人員可以完全跳過充電電路，以一種更加高效的方式來捕獲機(jī)械能。雖然這涉及到物理運(yùn)動(dòng)，但是尺寸較小，不那么礙眼的生物力學(xué)設(shè)備可以提供一個(gè)有效的方案，幫助解決移動(dòng)設(shè)備日益增長的電能需求。
前景分析：當(dāng)這種電池被壓縮或彎曲時(shí)，會(huì)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，然后再通過標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池中的充電電路，將其轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，從而給自己充電。
日本著力于研發(fā)鋰電池新型材料和可替代材料
鋰電池新材料：深藍(lán)化合物
研究背景：日本筑波大學(xué)教授守友浩近期研發(fā)出了一種高效能的鋰電池新材料，其研究成果2012年4月15日已在應(yīng)用物理學(xué)會(huì)的雜志上發(fā)表。與現(xiàn)有的最好材料相比，新材料的充電放電效能提升了8倍。作為未來可能運(yùn)用于電動(dòng)汽車和車載電池上的新技術(shù)，該研究成果備受矚目。
產(chǎn)品介紹：新材料是由鐵、猛、碳、氮等構(gòu)成的深藍(lán)化合物，晶體間隔呈0.5納米(1納米等于10億分之1米)的攀登架型結(jié)構(gòu)。間隔有約5個(gè)鋰離子的寬度，出入口處很寬，可以容納鋰離子的高速進(jìn)出。
實(shí)驗(yàn)把深藍(lán)化合物直徑50納米的納米粒子做成1平方厘米的薄膜并緊貼電極。先花上8分鐘充電0.01毫安培再一口氣放電，隨后得到每克85毫安培的電流。放電時(shí)間為1.1秒。
研發(fā)成果：據(jù)筑波大學(xué)介紹，現(xiàn)有的放電性能最好的材料是橄欖石化合物，放電時(shí)間為9秒。但該化合物含有氧元素，會(huì)隨著時(shí)間推移發(fā)生氧化并使質(zhì)量大打折扣。而新材料并非氧化物，在30次的充電放電后沒有發(fā)生質(zhì)量惡化的情況。
守友浩教授表示：“將新材料用于電池的話，放電時(shí)會(huì)有發(fā)熱等問題，但材料本身具有令人驚訝的潛在能力。”
鈉離子電池
研究背景：日本大阪府立大學(xué)和日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)2012年5月23日聯(lián)合發(fā)表新聞公報(bào)說，大阪府立大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種利用鈉離子導(dǎo)電性的無機(jī)固體電解質(zhì)，并證實(shí)用這種電解質(zhì)制成的全固體鈉蓄電池能在室溫下正常工作。
研發(fā)成果：公報(bào)說，作為純電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電源和太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的存儲(chǔ)設(shè)備，高性能蓄電池的開發(fā)迫在眉睫。利用鈉離子實(shí)現(xiàn)反復(fù)充電、放電的蓄電池，由于鈉資源儲(chǔ)量豐富和容易實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)，被部分專家視為替代鋰離子電池的下一代蓄電池。
目前，利用鈉離子導(dǎo)電性的鈉硫電池等大型電力存儲(chǔ)用蓄電池，已進(jìn)入實(shí)用化階段，但這種電池工作時(shí)需加熱到250攝氏度以上，以使其正極的硫和負(fù)極的鈉處于熔融狀態(tài)，保持電池內(nèi)部的低電阻。而使用無機(jī)固體電解質(zhì)且正負(fù)極全部使用固體材料的電池不僅更安全，而且兼具單位體積存儲(chǔ)能量多和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
產(chǎn)品介紹：大阪府立大學(xué)的研究人員通過使玻璃結(jié)晶的方法，發(fā)現(xiàn)一種固體電解質(zhì)，這種電解質(zhì)能析出此前未曾報(bào)告過的立方晶系硫代磷酸鈉。研究人員證實(shí)，這種固體電解質(zhì)在25攝氏度的室溫下具有高導(dǎo)電率。把這種電解質(zhì)微粒在室溫下粉碎成形并制成的全固體鈉蓄電池，可在室溫下反復(fù)充電、放電。
前景分析：公報(bào)說，提高全固體電池的性能還需進(jìn)一步增大電解質(zhì)的導(dǎo)電率以及在電極和電解質(zhì)之間構(gòu)筑良好的固體界面，研究人員今后將致力于解決這些課題，以期研制出實(shí)用的新一代蓄電池。