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        新技术进步促进电池发展

        浏览次数: 日期:2015年9月10日 10:31

        电池发展到今天,其应用领域和范围都在不断扩大,各种新型电池技术也在不断取得突破:电动汽车制造商正在寻找更便宜、更轻、更持久的电池;电子设备制造商也在寻找更可靠、寿命更长、充电更快的电池;可穿戴和医疗植入式设备的厂商则更倾向于更小巧、更长续航时间的电池;可再生能源企业也在寻找能够稳定充放电成千上万次的电池。目前,新型液流电池、固态电池、超级电池、微电池等技术概念层出不穷,促进了电池行业的发展和进步。

        在第85届日内瓦车展上,列支敦士登的nanoFLOWCELL带来续航了800公里的QUANT F电动超跑,除了酷炫的外表,其最大亮点就是采用了液流电池作为电动超跑的推动力。新型液流电池除了在价格和行驶里程上具有显著优势外,而且比目前汽车上使用的电池更加安全,更容易融入汽车设计中去。液流电池将电化学蓄电池以及燃料电池的各个方面相结合。液体电解质存在于两个电池仓中并经过电池流通。系统中心有一层隔膜将两个电解质解决方案分隔,但仍能容许电荷流通,从而为动力系统制造动力。该系统的优势之一在于其采用体积较大的电池仓,也就意味着有着更高的能量密度。600 V额定电压和50 A额定电流下,该系统能不断输出30 kW的最大功率。相比为当今电动汽车提供动力的锂离子电池技术而言,性能高出4倍,也就是说它的可行驶里程是同等质量传统元件的5倍。QUANT F原型车中搭载了体积为200升的电池仓,存储容量为120 kWh。该车在低负载条件下,百公里能耗约为20 kWh。公司表示,今后有望将电池仓的体积扩充至800升。车内配备了4台持续功率为120 kW、峰值功率为170 kW的电机,可通过扭矩分配实现四驱驾驶,也能作为车内两个超级电容器的备用能量储蓄装置。每个车轮单独峰值扭矩可达到2 900 Nm

        日本丰田汽车公司计划在2020年实现全固态电池的商用化。该公司早在2010年就推出了更安全、寿命更长、功率输出更优的全固态电池原型,希望它能在未来取代现有锂离子电池。关于电池使用的安全问题一直广受各方关注,这是由于锂离子电池内的有机溶剂具有可燃性,存在安全隐患。如果要彻底保证电池安全,就要把可燃烧的有机溶剂用更安全的不能燃烧的固体电解质替换掉。而固态锂电池有可能显著提高电芯的安全性。全固态锂电池没有电解液,不易燃烧和爆炸,不会产生液体泄漏和腐蚀,在高温下寿命不受影响,不易变形,电压允许范围更高。所以说,全固态电池是一种革命性技术,它可以在保证安全性的同时,提高电池能量密度。不过,单纯强调安全性并不能把固态电池完全推向市场,性能的提升和成本的降低更加关键。目前固态电池安全性能更高,但是在其他主要性能上,比如充放电速率上,低温特性上与采用液体电解质的现有锂离子电池有显著的差距。这主要是在固体电解质中离子传输速度较慢,固体电解质和正负极材料界面的电阻很大,这些问题还没有很好解决,所以快充的特性暂时没有发挥出来。全固态电池在快充时更安全,目前在日本研究人员认为其可以快充,但都还在实验室探索阶段,离应用较远。丰田欧洲先进技术小组研究人员指出,全固态电池面临的技术障碍是功率密度不够高,原因在于电池阴极和固态电解质之间的转移电阻过高。因此,全固态电池开发过程中的主要任务就是提高它的功率密度。固态金属锂电池的特性使其负极可以使用金属锂,金属锂的容量是目前锂离子电池中石墨负极的10倍,如果能解决金属锂使用和加工过程中的安全性问题,用金属锂作负极,用高能量密度材料作正极,电池能量密度会有1~3倍的提升,这也是降低成本有效办法。

        基础科学研究所(IBS)的自组装及复杂性中心和韩国浦项大学的研究人员,已开发出一种新型多孔固态锂离子电池,可以提高性能并避免过热的风险。韩国科学家研究了多孔CB[6]的高度各向异性(取向依赖)质子导电行为,可作为电池的电解质。这种电解质的锂离子传导很可能比现有的材料更安全。现有锂离子电池技术采用具有良好性能的夹层锂,利用简单浸泡方法制备有机固体基电解质。但是,更轻且更高功率的技术需求促使新型电解质的不断被研发出来。新开发的电池由南瓜形状的分子构成,以蜂窝状结构分布。分子构成极薄的平均直径为0.75 nm的一维通道并在其间传递。此外,多孔CB[6]的物理结构可以使锂离子比传统的锂离子电池更自由地扩散,并不需要其他电池中的分离器。实验结果显示多孔CB[6]固体电解质具有良好的锂离子电导率。研究小组进行了锂离子迁移数的测定,观察到该值在0.7~0.8,超过现有电解质的0.2~0.5。此外,他们将新电池暴露在温度高达373 K (99.85 )的环境中,超过现有电池的标准高温极限80 。在实验中,电池在从298~373 K(24.85~99.85 )循环变化四天。结果在任何周期后均无热溢出现象,几乎没有或仅有很轻微的电导率变化。

        大众汽车公司也表示看好固态电池前景,并入股研发固态电池的创业公司QuantumScape。公司认为,固态电池在储能方面相对传统锂电池存在优势,另外还具有阻燃能力强等优点,安全性能更好。公司正在加利福尼亚州硅谷研发的一款新电池,其价格更低,体积更小,动力更强劲,可大幅提升电动车续航里程。公司透露,目前正计划统一电池组规格,希望未来所有的电气化车辆可以转向单一的锂离子电池单元设计。统一规格必然将会带来成本的下降,目标是通过简化电池单元设计降低66%的电池成本。作为对比,美国环保署EPA规定e-高尔夫纯电动车平均续航里程应达到83英里(约合133公里)。这意味着倘若大众超级电池性能如期,电动车续航里程将达到EPA对高尔夫电动车要求的2.26倍。虽然300公里续航里程仍然不能和特斯拉Model S265英里相比,但大众将推出的是更具备价格可承受性的电动车,因而在推广普及电动车方面比Model S意义更大。由于电池在能量密度上远不能同内燃机相比,因此续航里程长期以来是电动车最大软肋之一。大众正在研发下一代锂离子电池单元技术,能量密度可达到当前电池的5倍之多。

        美国BioSolar公司已经同加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)签署协议,将继续对双方超级电池技术研究项目提供赞助资金。BioSolarUCSB合作共同开发低成本、高性能材料结构的超级电容和电池。基于合作成果,BioSolar还致力于在超级电池技术上寻求新的突破。BioSolar认为,超级电池技术可以使得锂电池存储容量增加一倍、成本降低,同时电池寿命也有所延长。目前,该公司已经为其同UCSB联合开发的超级电池技术申请了知识产权专利保护。BioSolar公司称,此次同UCSB进一步深化合作将加快实现100美元/千瓦时的使用成本目标。

        西班牙Graphenano公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出了首例石墨烯聚合材料电池。这种电池的寿命是锂离子电池的2倍。用它来提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而将它充满电只需要不到8分钟的时间。在20153月西班牙石墨烯会议期间,Graphenano公司CEO表示,现在电池方面的实用发展阶段还是纽扣电池,利用石墨烯材料做出的纽扣电池即将上市,未来还会进一步应用推进到电动汽车动力电池。但是,石墨烯在锂离子电池中的应用还有许多具体技术难题需要突破。

            三星电子的新技术是在电池的阴极上加入一种硅涂层,当中还包含着石墨烯材料,据称可将锂电池的容量翻倍。在这种新型涂层的帮助下,研究者成功打破了现有电池技术在充放电循环和容量上的限制,能在相同的体积内实现更大的容量,也就意味着续航能力的提升。

            目前,不仅笔记本电脑、医疗植入式设备需要小型电池,空间应用设备对质量的要求也是越轻越好。另外随着可穿戴设备的带来,对电池的敏感度也越来越高。越来越多的研究开始集中到所谓的3D微电池上面。3D是在微观层面上增加电极的层数来增加电极的表面积。表面积增加后,离子从一个电极移动到另一个电极也更加容易,这就增加了电池的功率密度,提高了电池充放电的速率。早在2013年,哈佛大学研究团队就使用3D打印技术和锂原料制造出了精度极高的阴极和阳极。而不久前,来自美国伊利诺伊大学的团队研发出了一种利用全息光刻技术制造3D电池的方法。在这项技术中,超精确的光束被用来产生3D结构,即电极。全息光刻出现的时间比3D打印更早,所以更有机会实现这项技术的大规模制造。但是,就像所有的电池技术一样,在电池的功率密度和尺寸之间还有权衡。如果该技术成功实现了商业化,那么必然会产生巨大的影响。

            此外,美国密歇根州的锂电池初创公司Sakti3所研发的电池使用了新型材料和生产技术,实现了高达1 000 Wh/L能量密度。Sakti3的电池将使电动车的续航里程能从256英里提升到480英里(772公里),制造成本低,充放电速度快,更环保,而且比有些标准更安全。这项技术弃用了传统锂电池中的可燃液体电解质,通过其高能存储材料实现技术进步。最重要的是,它的价格仅为每千瓦时100美元,未来能够应用于受限于成本和里程限制的电动汽车。目前,Sakti3的锂电池技术在处于研发阶段,距离商品化还需要时间。很多电池初创公司都在努力将实验室技术转化成真实商品,但是一直也没有重大突破,部分原因在于他们的原型产品是定制的,需要使用昂贵的制造技术,难以批量生产。而Sakti3的原型产品则采用了标准生产设备,经过完善升级,实现商业化的可能性很大。

        韩国的LG Chem宣布开发出新技术,电动车充电一次可行驶400~500公里,里程加倍,预计2017年就能量产。LG Chem预计,2017LG Chem会再次取得重大技术突破:到2017年或2018年,3万美元、续航200英里(321公里)的电动汽车将成为商业化主流产品。

            总之,科学家们仍然不懈努力,积极研发各种各样的新方法、新材料、新技术,并期待能够获得成功尽早实现商业化生产,使电池技术不断进步

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        该资讯的关键词为:电池 电源技术