“锂电池之父”94岁高龄再获重大突破,全球电动车产业时间表或将大幅调整

胡仲略 DeepTech深科技 2017-03-05



近年来,电动车的购买量一直在上升,去年仅美国市场的年同比增长率达到 37;而在中国,2016 年新能源汽车总产量达到 518,582 辆,同比增长38.8%,纯电动占比81.9%,插电式混合动力占比18.1%。


有预计指出,截至 2022 年,电动车的使用率将大幅提升,届时电动车的预计成本将与内燃机机动车持平。然而,这些估计基于的假定是,现有的锂离子电池仍然将是电动车的主要电力来源。


以特斯拉为代表的电动汽车已经进入人们的生活,但这一速度是否能够加快其中一个关键因素就在于电池技术的发展。


德州大学奥斯汀分校科克雷尔工学院(Cockrell Engineering School)94岁高龄的约翰·古迪纳夫(John Goodenough)教授是锂离子电池共同发明者。现如今,他又带领工程师团队打造了一个新型全固态电池这意味着对电池驱动汽车的预测将有可能得到大幅调整。


这位电池领域的泰斗级人士表示,“我认为,我们现在有可能做到20年来一直想做的事情——就是为了得到一台在成本和便利性上与内燃机具备竞争力的电动汽车。“


如果取得成功,这一新发明的重要性不言而喻——我们的手持移动设备,电动汽车与固定储能系统将能够用上更安全充电更快更为持久可充电电池。但问题是,近几年号称在电池上取得突破性进展的机构、科学家和厂商不在少数。但我们究竟应该相信谁?


MIT教授、电池领域顶尖专家Donald Sadoway


对此,麻省理工学院材料科学和工程学教授、电池领域的著名专家 Donald Sadoway 表示,“当约翰·古迪纳夫发表了什么,会引起我的关注。他是非常棒的科学家,也是该领域内的顶级专家。他的声音值得倾听。”


换而言之,谁又会比锂电池技术联合发明人约翰·古迪纳夫更有资格来取得电池技术新的突破?


约翰·古迪纳夫(John Goodenough)

 

回到技术本身,古迪纳夫教授的这项突破是一款新型的低成本的全固态电池这款电池所具有相当多的优点:不易燃烧、体积能量密度高、循环寿命长、充放电速度快等。该研究由科克雷尔工程学院高级研究员玛利亚·海伦娜·布拉加(Maria Helena Braga)与古迪纳夫教授共同完成。


这一里程碑式的研究于近日发表在《能源与环境科学》(Energy & Envrionmental Science)上。

 

锂-硫固态电池示意图


研究人员的实验表明,他们开发出的新电池的能量密度至少是当下锂离子电池的三倍。从文章中的数据来看,这款电池的完全放电的能量密度为10.5Wh/g,而在可循环电压范围内,能量密度为8.5Wh/g。当应用于新能源汽车时,更高的能量密度意味着,一辆电动汽车一次充电后的活动半径将被大幅提高。

 

此外,全固态电池的固有特性还增加了电池的充放电次数(更耐用)。同时,新电池的充电速率也得以大幅提升(只需要数分钟,而不是以往的数小时)。


金属锂形成枝晶,造成电池短路的3维示意图

 

古迪纳夫教授指出:“成本、安全性、能量密度、充放电速率和循环寿命等因素决定了电动汽车能否被社会所广泛接受。我们相信,这一发现解决了当前电池中许多固有的难题。”

 

当今的锂离子电池多使用液态电解质,从而实现锂离子在阳极和阴极之间的输送。但是如果电池单元充电的速度过快,它会导致锂离子析出,形成横跨液体电解质的枝晶,或者所谓的“金属晶须”,从而引起电池短路,并有可能引起爆炸或者火灾。类似的情况也会发生在其他碱金属,如钠,钾中。


因此,尽管理论上碱金属阳极能够实现最高的电池能量密度,并且提高循环寿命,但是目前来看,安全性仍然是制约电池使用碱金属阳极的主要因素。



当前的锂离子电池,阳极材料多为嵌入的锂化合物,如钴酸锂,磷酸铁锂,锰尖晶石等,它们会与液态电解质反应,生成一层厚约20nm左右,能通导锂离子,但是不通导电子的固态-电解质界面膜(Solid-electrolyte interphase),这一层界面膜能阻止锂与电解质溶液的进一步接触,故而能提升电池的安全性与稳定性。但是另一方面,这一层界面膜会消耗阳极与电解质,因而会降低电池的效率。

 

在论文中,研究者们使用了非晶电解质取代了常规电池中所使用的液体电解质。与常规电池中的液体电解质相似,这种固态电解质也能很好的通导锂离子与钠离子。不仅如此,由于这种固体电解质其导带(conduction band)的能量要高于锂的费米能级,因而不会形成在常规电池中出现的固态-电解质界面膜,从而提升了电池的效率。


另一方面,与碱金属阳极接触的固态电解质能够有效地避免阳极生成枝晶结构,因而能够完全消除锂离子电池中的安全隐患。

 

研究人员还发现,这种电池能在保持很低的电池内阻情况下,能实现多达1200余次的充放电。下图给出了电池长达1000多小时的充放电测试曲线。从这个电压-时间曲线中,可以看出这款新型锂-硫电池在很长的循环寿命中,仍然能够保持非常稳定的放电电压。


锂-硫固态电池充放电实验,电池电压与时间示意图


在对于工作环境温度的适应性上,全固态电池有着巨大的优势。由于固体非晶电解质在低至零下20摄氏度的环境中仍然具有很高的导电性,因此可以确保电动汽车在零度以下的天气中仍然能正常工作。在耐高温方面,新电池还是世界上第一款能够在60摄氏度下工作的全固态电池组。


布拉加与古迪纳夫教授先前研发出的非晶固态电解质

 

除了上述特点外,这项工艺还有一个优点——电池可以用更加环保的材料制成。布拉加表示,非晶电解质可以用低成本的钠来代替锂,而钠可以轻易地从海水中获取。

 

古迪纳夫教授和布拉加现在正在继续推进他们的电池研究,并且正准备申请专利。他们在近期计划与电池制造商合作,开发和测试为电动汽车和能源存储装置提供的新型电池。


对此,古迪纳夫表示,“下一步是要证明负极问题已经得到了解决。解决负极问题意味着,我们将能着手大容量电池的研发。目前,我们做的电池和一个夹心蛋糕卷差不过大小,但它完全能正常工作。我对达成最终目标充满信心。最终产品的开发会与电池生产商合作完成,我才不想做产品研发,也不想做生意,毕竟我已经94岁了,要那些钱也没什么用。”

 

参考文献:

1. M. Braga, et al.  Energy Environ. Sci., 2017, 10, 331—336

2. K. Harry, et al. Nat. Mater., 2014, 13, 69-73

3. M. Braga, et al. Energy Environ. Sci., 2016,9, 948-954

4.http://spectrum.ieee.org/energywise/energy/renewables/does-new-glass-battery-accelerate-the-end-of-oil



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