鉅大LARGE | 點擊量：1205次 | 2020年03月07日
當諾獎的光芒照亮動力鋰電池 技術突破還會遠嗎？
今年諾貝爾化學獎花落鋰離子電池研究，讓諸多目光投向因鋰離子電池而改變的汽車業(yè)。盡管電動汽車的動力鋰電池仍然存在熱失控等問題，但挺過了漫漫鋰離子電池發(fā)展之路，全固態(tài)電池的新時代離我們越來越近。
2019年度諾貝爾化學獎，授予了美國科學家約翰·古迪納夫、英國科學家斯坦利·惠廷厄姆和日本科學家吉野彰，以表彰三位科學家在鋰離子電池研發(fā)領域的貢獻。
正是這三位鋰離子電池之父，帶領汽車產業(yè)敲開了新能源電動汽車的大門。而鋰離子電池帶給汽車業(yè)的是從化石燃料轉至清潔能源的跨越式改變。從鈷酸鋰離子電池、錳酸鋰離子電池，到磷酸鐵鋰離子電池、三元鋰離子電池，以及最新前沿的全固態(tài)電池，看似遙遠的諾貝爾光芒，已經照亮了動力鋰電池產業(yè)。
鋰離子電池展臺。
漫漫鋰離子電池征程
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
縱觀鋰離子電池發(fā)展史，鋰離子電池在汽車領域的初亮相，三位科學家功不可沒。首先要提及的是英國科學家惠廷厄姆，他采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成了世界上首個新型鋰離子電池。
隨后，美國科學家古迪納夫等人發(fā)現錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價、穩(wěn)定和優(yōu)良的導電、導鋰性能，而這一材料成為了目前廣泛應用于生產生活中的鋰離子電池正極材料。繼惠廷厄姆發(fā)明了可充電鋰離子電池后，經過反復實驗計算，古迪納夫發(fā)現了比先前的硫化鈦更適合做鋰電子電池陰極的材料——層狀結構的鈷酸鋰。
而日本科學家吉野彰則在古迪納夫的研究基礎上，發(fā)現了更適合的含鋰化合物陽極材料，確立了現代鋰離子電池的基本框架。吉野彰設計的鋰離子電池以碳基材料為陽極，以鈷酸鋰為陰極，完全去除電池中的金屬鋰，采用了含鋰化合物，提高了安全性。1991年，兩人合作發(fā)明的鋰離子電池被索尼公司推向市場，標志著鋰離子電池的大規(guī)模使用。根據正極材料的不同，這種鋰離子電池被稱之為“鈷酸鋰離子電池”。
作為鋰離子電池的鼻祖，鈷酸鋰離子電池作為動力鋰電池在電動汽車中的應用并不多。最早用于特斯拉Roadster上，但由于其循環(huán)壽命和安全性都較低，事實證明其并不適用作為動力鋰電池。為了彌補這一缺點，特斯拉運用了號稱世界上最頂尖的電池管理系統(tǒng)來保證電池的穩(wěn)定性，但仍無法擺脫安全性的問題，尤其是在劇烈撞擊之下。穩(wěn)定性和成本問題阻礙著鈷酸鋰離子電池的普及，使其只能應用于日常3C產品之中。
隨后，新能源電動汽車也經歷過錳酸鋰離子電池時代，該電池由日本AESC提出，最早應用于日產聆風之上，價格低，能量密度中等，安全性也一般的性能，讓其逐步被新的技術所替代。
磷酸鐵鋰離子電池的問世，才算是真正意義上改變動力鋰電池生產和使用現狀。相較于鈷酸鋰的層狀不穩(wěn)定結構，磷酸鐵鋰離子電池的空間骨架結構更穩(wěn)定，鋰離子在骨架的通道中也能快速移動。同時，更為廉價的原材料價格，也讓磷酸鐵鋰制造成本更低。
盡管磷酸鐵鋰離子電池至今仍經久不衰，但其能量密度較低也是不爭的事實。因此，盡管其具有高安全性，但其能量密度低會導致其裝機電池重量大，目前更多的是應用于新能源客車領域。
但2016年以來，三元鋰離子電池開始進入人們的視野。三元鋰離子電池指的是陽極材料使用鎳鈷錳三種材料按一定比例混合搭配的鋰離子電池，根據材料配比的不同分為不同型號，也因此具備了更多的研究拓展方向。
在能量密度方面，三元鋰離子電池明顯地優(yōu)于磷酸鐵鋰離子電池。而且由于研究尚處于開始階段，能量密度的提升甚至技術的突破可能更多，因此，三元鋰離子電池成為更多廠商的選擇。目前，主流的動力鋰電池制造商三星、LG化學、寧德時代等都將其作為主攻方向之一。
就目前的國內市場而言，三元鋰離子電池雖然興起較晚，但作為最新最熱門的動力鋰電池選擇，裝機量仍不斷上升。高工產業(yè)研究院(GGII)最新公布的《動力鋰電池月度數據庫》統(tǒng)計顯示，2019年1-八月國內動力鋰電池裝機量約38.4GWh，同比上升66%。其中，前八月三元鋰離子電池裝機電量約為25GWh,同比上升85%；磷酸鐵鋰離子電池在新能源客車和專用車中裝機量比較大，逐步回暖。
熱失控難以規(guī)避？
但隨著電動汽車的興起，動力鋰電池產業(yè)的快速發(fā)展，其問題顯現得也更快。
自燃問題首當其沖，熱失控成為電動汽車公司尤其是動力鋰電池生產商最為困擾的問題。有研究表明，熱失控是引發(fā)電動汽車自燃的重要原因之一。在“第三屆國際電池安全研討會(2019IBSW)”上，我國科學院院士、清華大學教授歐陽明高表示，導致熱失控的原因中，正極釋氧、負極析鋰、隔膜崩潰是三個重要原因。
理論上講，除了機械碰撞、充電過充等操作問題，正極和負極結合的時候，負極被氧化，正極釋氧與負極反應劇烈放熱，也可能導致熱失控。而隨著隔膜性能的不斷增強、正極三元材料鎳含量不斷提高、釋氧溫度不斷下降，正極材料熱穩(wěn)定性也會隨之降低。
此外，歐陽明高表示，全生命周期安全性中最重要的影響因素就是析鋰，假如沒有析鋰衰減，電池安全性并不會變差。同樣是析鋰，析鋰的多少導致的結果明顯不一樣，析鋰多的放熱量大，析出鋰會直接跟電解液發(fā)生劇烈反應，引發(fā)大量溫升，將直接誘發(fā)熱失控。
一位從事鋰離子電池研究的工程師十月十日在接受新京報記者采訪時表示，假如鋰離子在析出的過程中不能完全嵌入陰極材料，使得部分鋰沉積在陰極材料表面，形成尖銳的峰狀結構，進一步發(fā)展就容易刺穿隔膜，導致電池內部短接，進而熱失控引發(fā)燃燒爆炸。
古迪納夫曾在2017年二月接受訪談時表示，關于電動汽車中的鋰離子電池而言，問題就在于它使用的易燃性電解液，除了易燃性外，當金屬鋰和鹽析出形成枝晶之后，很容易刺穿隔膜導致內部短路，引發(fā)燃燒；同時，鋰離子電池保持長壽命的工作電壓很有限。
古迪納夫認為，鋰離子電池的安全問題目前還是比較明顯，過度充電等問題很容易造成鋰離子電池的安全性出現問題。此外，管理好電池也是電動汽車使用時的一大筆支出。
全固態(tài)電池時代即將來臨
吉野彰認為，鋰離子電池未來應用于電動汽車等勢必會有更多進展，假如將鋰離子電池應用于新用途、新領域時，必須進行技術改良，但關于鋰離子電池還有很多未知事項。
古迪納夫正在進行的全固態(tài)電池研究，便是對鋰離子電池未知事項的探尋。
全固態(tài)電池將原先的液態(tài)有機電解質換成一種全新的固態(tài)電解質。固態(tài)電解質不僅能夠保證原有的儲電性能，還能防止枝晶問題的產生，而且更安全，更廉價。目前困擾鋰離子電池的安全問題都將因為全固態(tài)電池的出現而改善或解決。
在固態(tài)電解質選擇上，葡萄牙物理學家布拉加為其供應了一種具有良好的鋰離子傳導能力的玻璃，古迪納夫立即將這種玻璃引入到全固態(tài)電池的研發(fā)中。
目前，全固態(tài)電池的研發(fā)已初露端倪，相關成果已經在多個權威刊物上得以展現。鋰離子電池甚至是動力鋰電池的未來正在被這位97歲的科學家所改變著。
國內方面，寧德時代在聚合物和硫化物基固態(tài)電池方向分別開展了相關的研發(fā)工作并取得了初步進展；國軒高科已在日本研究院開展相應固態(tài)電池技術研發(fā)。而萬向一二三和材料公司IonicMaterials對外宣布，共同開發(fā)出一款具有高能量密度、高安全且不使用易燃液體電解質的電池。此外，贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料所合作共建的“固體電解質材料工程中心”也已經在全固態(tài)電池無鋰征集研究方面取得進展。
國外方面，由日本新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構牽頭投資100億日元，豐田、本田、日產、松下等23家日本汽車、電池和材料公司，以及京都大學、日本理化學研究所等15家學術機構將共同參與研究，計劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關技術。
而固態(tài)電池作為動力鋰電池未來的發(fā)展方向，盡管技術層面已經取得一定程度的突破，但目前的生產制備成熟度還要加強，規(guī)模化、自動化的生產線還要進一步研發(fā)，距離產業(yè)商業(yè)化還有一定的距離。
有業(yè)內人士分析認為，目前產業(yè)布局才剛剛開始，要想真正實現小規(guī)模量產預計在2020年以后，大規(guī)模應用則要更長的時間。
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