納米硅、鈦酸鋰、鈉離子…我國鋰電研究進(jìn)展碩果累累

一、中科院物理研發(fā)納米硅負(fù)極材料

硅被用于電腦芯片和許多其他產(chǎn)品，因具有十倍于石墨負(fù)極的儲(chǔ)鋰容量，被認(rèn)為是下一代鋰離子電池的理想負(fù)極。然而，硅負(fù)極在鋰化/去鋰化過程中涉及巨大的體積變化，導(dǎo)致其循環(huán)穩(wěn)定性較差，并且太弱而無法承受電極制造的壓力，制約了硅基負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。

80歲的中國工程院院士陳立泉是中國鋰電產(chǎn)業(yè)的奠基人，1996年，他帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)率先研制出鋰離子電池，率先解決了國內(nèi)鋰離子電池規(guī)模化生產(chǎn)的科學(xué)技術(shù)與工程問題，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化。

在江蘇溧陽，陳立泉院士的得意門生李泓，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過二十多年的技術(shù)攻關(guān)，在一項(xiàng)鋰電池關(guān)鍵原材料上獲得突破，并在2017年進(jìn)行了量產(chǎn)。

據(jù)介紹，中科院物理所從1996年就開始研究納米硅，納米硅負(fù)極材料是他們自主研發(fā)的新材料，用它做成的紐扣電池，其容量是傳統(tǒng)石墨鋰電池的5倍。同時(shí)，李泓教授研發(fā)的新型固態(tài)電池，采用這款電池的無人機(jī)，續(xù)航增加20%，奧秘都在這塊電池的固態(tài)化正極材料上。

2018年，這里已經(jīng)完成了300Wh/kg固態(tài)動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，在車輛上搭載后，可以使整車?yán)m(xù)航里程增加一倍。在今年5月份，這類固態(tài)電池已經(jīng)開始在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。

二、銀隆研究院研發(fā)鈦酸鋰電池

廣東珠海的銀隆新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)研究院也在探索新能源電池的技術(shù)、新材料，鈦酸鋰電池就是其研發(fā)的一個(gè)重要項(xiàng)目。

電動(dòng)汽車對(duì)于動(dòng)力電池的要求基本是能量密度和功率密度要高、成本要低、充電速度要快、壽命長、安全可靠等。電池又包括正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)、隔膜這四大關(guān)鍵材料，每個(gè)材料的創(chuàng)新應(yīng)用，可能都會(huì)給電池性能帶來提升。鈦酸鋰是負(fù)極材料的派生系，即負(fù)極用鈦酸鋰取代原來的碳材料。而用鈦酸鋰代替碳材料之后，最大的好處就是可快速充電，壽命長，不怕高溫和低溫。

與碳負(fù)極材料相比，鈦酸鋰材料被稱為“零應(yīng)變材料”，其穩(wěn)定性高，具有更高的嵌鋰電位（1.55V），從根本上消除了金屬鋰枝晶的產(chǎn)生，降低了電池發(fā)生內(nèi)部短路的風(fēng)險(xiǎn)。此外，鈦酸鋰與電解液之間的反應(yīng)活性較低，幾乎不生成SEI膜，因而具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。

搭載鈦酸鋰電池的公交車充電三分鐘，電量就從33%充到60%以上，僅僅8分鐘，公交車就已充滿了，電量顯示99%。

而且公交車線路固定，一般一個(gè)來回的公里數(shù)不會(huì)超過100公里，利用公交車司機(jī)休息的空擋，就可以充分發(fā)揮鈦酸鋰電池充電快的優(yōu)勢(shì)。而且工作溫度寬泛，在零下50℃的環(huán)境中，仍能正常充放電。同時(shí)，該電池的循環(huán)放電壽命長，這家研究院，有一塊鈦酸鋰電池，在2014年開始就已進(jìn)行充放電循環(huán)試驗(yàn)，如今已過了六年時(shí)間，充放電超過3萬次，電池容量只衰減了不到10%，性能十分優(yōu)異。

更值得關(guān)注的是，這款電池的熱失控保護(hù)性能更令人驚嘆，技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)演示了鈦酸鋰電池跌落、針刺、切割試驗(yàn)。特別是鋼針刺穿電池后，沒有發(fā)生燃燒、冒煙現(xiàn)象，而且電池還能正常使用。

不過，鈦酸鋰電池雖然具有這么多優(yōu)點(diǎn)，但是能量密度不夠高，目前磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)能量密度已經(jīng)達(dá)到160wh/kg，而鈦酸鋰電池僅約50wh/kg，差了3倍不止。因此，他們把電池的目標(biāo)市場(chǎng)分，放在了公交車、專用車，以及儲(chǔ)能電站等對(duì)能量密度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景中。

三、中科海鈉研發(fā)新型鈉離子電池

中科海鈉團(tuán)隊(duì)成員來自被稱為“電池研發(fā)國家隊(duì)”的中科院物理所二次電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)，其開發(fā)的鈉離子電池產(chǎn)品在性能上對(duì)標(biāo)鋰電池，包括使用壽命相當(dāng)，快充快放，且能量密度可達(dá) 140Wh/kg。而在成本上則明顯優(yōu)于鋰電池，甚至可以比肩在市場(chǎng)上處于低端的鉛酸電池。該電池負(fù)極材料以煤作為原料，正極以廉價(jià)金屬氧化物為原料，成本優(yōu)勢(shì)明顯。
今年，中科海鈉的鈉離子電池產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，是全球首款具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品化鈉離子電池。該公司數(shù)據(jù)顯示，目前電芯產(chǎn)能可達(dá) 30 萬只/月，而且已經(jīng)獲得了來自印度市場(chǎng)的訂單。

在上世紀(jì) 70 年代，鈉離子電池和鋰離子電池都是電池領(lǐng)域科學(xué)家研究的重點(diǎn)方向。讓兩者真正分野的索尼在 90 年代成功將鋰電池商用化，在消費(fèi)電子領(lǐng)域大面積鋪開了鋰離子電池。商用化的順利進(jìn)行反向抑制了鈉離子電池技術(shù)路線的發(fā)展。此后，雖然應(yīng)用前景廣大，鈉離子電池的研究卻一直沒有取得決定性的突破。

鈉離子電池再次進(jìn)入主流科學(xué)家的視野是在最近十余年。在全球擁抱鋰電池之后，科學(xué)家通過計(jì)算認(rèn)為，如果說地球上的內(nèi)燃動(dòng)力都換成電池動(dòng)力，鋰電池是不夠的，主要原因是鋰元素本身不足。

中科海鈉 CEO 唐堃表示，地球上的鋰大概有不到 7000 萬噸，而鈉的存量大概比鋰大三個(gè)數(shù)量級(jí)，在整個(gè)地球的元素豐度中占 2.3%，可謂取之不盡用之不竭。在“前瞻性”思維的推動(dòng)下，鈉離子電池路線重新獲得了研究者的關(guān)注。且鈉離子原理跟鋰電池完全一樣，工藝也基本一樣，只是金屬元素性質(zhì)上存在一些差別，因此鈉離子電池成為一個(gè)順理成章的替代選擇。

總結(jié)

經(jīng)過多年的發(fā)展，中國鋰電產(chǎn)業(yè)鏈快速崛起，在鋰電池的研發(fā)方面投入不斷加大，攻克眾多電極材料難題，為加速推動(dòng)新能源的普及與應(yīng)用提供了道路方向。發(fā)展便捷高效的新型儲(chǔ)能技術(shù)具有重要意義，憑借一線科學(xué)研究者的努力，加上國家政策的扶持，中國鋰電未來會(huì)有更多成績，為解決儲(chǔ)能問題提供有力探索。

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