2016年十大鋰電池技術(shù)突破

鋰電池在我們生活中扮演的角色將越來越重要。從智能手機(jī)到電動汽車再到儲能，處處可見鋰電池的身影。然而，隨著這些行業(yè)的發(fā)展，人們對這些產(chǎn)品提出了更多的需求，也對鋰電提出了更苛刻的要求。因此，電池技術(shù)突破，尤為重要。目前，鋰離子電池能量密度和安全性能亟待提升，鋰硫電池、鋰空氣電池和固態(tài)電池都有希望取代鋰離子電池，這三種電池技術(shù)，是行業(yè)研究的熱門領(lǐng)域。2016年馬上就要走到終點(diǎn)，回顧這一年，OFweek鋰電網(wǎng)精心盤點(diǎn)了電池的十大相關(guān)科研成果，供大家參考！

突破一：韓國推出新型防火防爆全固態(tài)鋰電池

韓國蔚山科技大學(xué)（UNIST，能源與化學(xué)工程學(xué)院）Yoon Seok Jun教授與首爾國立大學(xué)的。 Seng M. Oh教授牽頭的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種全固態(tài)鋰電池。開發(fā)該電池采用的方法是先將固體電解質(zhì)熔化，然后將熔化的電解質(zhì)涂抹在電極上。為了解決粉末狀的固體電解質(zhì)和電極活性材料之間的接觸不活躍，使得鋰離子更難以移動到電極的問題。該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)出了一種可以增強(qiáng)固體電解質(zhì)導(dǎo)電性的材料，甲醇液中添加碘化鋰（LiI）。

據(jù)該團(tuán)隊(duì)的Jung教授介紹，新開發(fā)的固體電解質(zhì)具有較高的離子導(dǎo)電性、無毒性。而且所采用電池原料和溶劑（甲醇）價(jià)格都比較便宜。

相比于液態(tài)鋰離子來講，全固態(tài)鋰電池在循環(huán)性、安全性、功率衰減、壽命以及能量密度上都有明顯的優(yōu)勢，而且電壓更高，電池模組和系統(tǒng)設(shè)計(jì)起來更簡單。

目前困擾全固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化主要有兩個問題：一是固態(tài)電解質(zhì)在室溫條件下的離子電導(dǎo)率不高；二是固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極之間界面阻抗比較大。

韓國推出的這款新型電池，在固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率上取得突破，而且所用的材料都比較便宜，如果技術(shù)成熟的化，將加快固態(tài)鋰電池投入商用化的進(jìn)程。

突破二：新型雙離子電池技術(shù) 成本更低能量密度更高

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院唐永炳研究員及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)出新型高儲能、低體積電池技術(shù)。

據(jù)介紹，唐永炳發(fā)明的鋁—石墨雙離子電池，是一種全新的高效、低成本儲能電池。這種新型電池，用石墨取代鋰電池里的鋰化合物，作為正極材料，用鋁箔作為負(fù)極材料和負(fù)極集流體。電解液則由常規(guī)鋰鹽和碳酸酯類有機(jī)溶劑組成。

該新型電池在充電過程中，正極石墨發(fā)生陰離子插層反應(yīng)，而鋁負(fù)極發(fā)生鋁-鋰合金化反應(yīng)，放電過程則相反。這種新型反應(yīng)機(jī)理，不僅可以顯著提高電池的工作電壓（3.8-4.6V），同時大幅降低電池的質(zhì)量、體積、及制造成本，從而全面提升全電池的能量密度（~220 Wh/kg）。

該團(tuán)隊(duì)成員表示，500kg的鋁-石墨電池的續(xù)航里程可達(dá)到約550公里，而同等重量的普通電動汽車電池，續(xù)航里程最多只有400多公里。新型電池與傳統(tǒng)鋰電技術(shù)相比，鋁-石墨電池可將生產(chǎn)成本降低約40%-50%，能量密度提高至少1.3-2.0倍。

在編輯看來，唐永炳唐研究員及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這種鋁—石墨雙離子電池，從現(xiàn)階段來看具有非常高的應(yīng)用價(jià)值。受“騙補(bǔ)事件”影響，國家對新能源汽車的財(cái)政補(bǔ)貼，從明年開始將全面退坡，鋁-石墨電池可將生產(chǎn)成本降低約40%-50%，可將補(bǔ)貼退坡對新能源汽車的負(fù)面影響完全消除，甚至還能使新能源汽車的價(jià)格進(jìn)一步降低。而續(xù)航提升，可緩解人們對新能源汽車的“續(xù)航焦慮”。假如該電池技術(shù)能夠及早成熟，或能對現(xiàn)有動力電池格局造成有力的沖擊。

突破三：微宏不燃燒電池技術(shù) 或解決電動汽車起火難題

2016年3月19日，微宏在北京水立方舉辦了“More Than Safe|微宏不燃燒電池技術(shù)”發(fā)布會。此次發(fā)布的不燃燒電池技術(shù)是微宏歷時8年研發(fā)的不燃燒電池技術(shù)成果。主要從隔膜耐高溫、電解液不燃燒的主動防御，與STL智能熱控流體技術(shù)的被動防御兩個層面解決鋰離子電池的安全困局。

研究表明，鋰離子電池在發(fā)生熱失控時，放熱量最多的是電解液，因此不燃燒電解液是保證電池不燃燒所要解決的最重要問題。在現(xiàn)場，微宏展示了不燃燒電解液確實(shí)不會被點(diǎn)燃。在實(shí)現(xiàn)電解液不燃燒之后，高性能隔膜也是保證鋰離子電池安全的重要保障。普通鋰離子電池隔膜通常熔點(diǎn)較低，在130攝氏度左右便會收縮，從而導(dǎo)致電池的內(nèi)部短路，發(fā)生熱失控。微宏提出了耐高溫隔膜的思路。與普通的PE隔膜相比，耐高溫隔膜熔點(diǎn)更高，可以保證電池即便在300攝氏度的高溫下也不會發(fā)生收縮，防范電池內(nèi)部短路，從而避免熱失控。在解決了鋰離子電池內(nèi)部的電解液以及隔膜的問題，相當(dāng)于為不燃燒電池主動設(shè)立了防御措施。微宏也還采用浸沒方式的STL智能熱控流體技術(shù)設(shè)立了被動防御措施。

STL智能熱控流體技術(shù)是指將電池組浸沒在液體里，利用絕緣導(dǎo)熱液體作為絕緣、阻燃、導(dǎo)熱性能俱佳的材料，能夠在電池組內(nèi)部發(fā)生細(xì)微內(nèi)短路的情況下，快速隔絕熱失控點(diǎn)，同時利用液體降低熱失控點(diǎn)的溫度，最大程度地降 低了電池組安全風(fēng)險(xiǎn)。STL除了安全以外，也能夠均衡電池組內(nèi)部溫度差異、并利用外部循環(huán)實(shí)現(xiàn)更好的溫度控制，同時即便電池組漏液，也能及時通過液體檢測發(fā)現(xiàn)，安全更有保障。

不燃燒電解液與耐高溫隔膜兩個主動的防御措施，配合STL智能熱控流體這一被動防御措施，最終實(shí)現(xiàn)了電池系統(tǒng)級別的不燃燒、高安全與高性能。

鋰電池容易起火，是因?yàn)槠錈岱€(wěn)定性較差，在200℃左右的外界溫度下，就會分解并釋放出氧氣，與電池里的可燃的電解液、碳材料一起，一點(diǎn)就著。鋰電池一旦著火，產(chǎn)生的熱量會進(jìn)一步加劇正極的分解，在極短的時間內(nèi)就會爆燃。

電池正常使用過程中并不會達(dá)到電池燃燒的條件，當(dāng)鋰離子電池的發(fā)生內(nèi)短路時，就會使鋰電池?zé)崾Э?，從而?dǎo)致鋰電池自燃。不穩(wěn)定的設(shè)計(jì)、環(huán)境惡劣以及機(jī)械性的損傷等這些外因造成的內(nèi)短路，可以通過電子器件和機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行避免。但是，由鋰電池材料體系及制成工藝等諸多內(nèi)因造成的的內(nèi)短路難以控制。

微宏不燃燒電池主要從電解液、鋰離子隔膜和熱控流體技術(shù)三個方面，另辟蹊徑，直接阻斷燃燒源，最大化避免鋰離子電池的燃燒。

突破四：無鈷高電壓電池材料問世 可降低電池成本

Nano one公司宣布成功研制無鈷高電壓鋰電池陰極材料——高電壓尖晶石。該材料只含鋰、錳、鎳而不含鈷元素，與已商業(yè)化的含鈷電池材料相比，具有輸出電壓高，壽命長，安全性高，電池容量和放電功率大的特點(diǎn)，同時降低了成本、環(huán)保和供應(yīng)鏈的風(fēng)險(xiǎn)壓力。高電壓電池材料重量輕、體積小和成本低的優(yōu)勢將在未來電動汽車和數(shù)碼產(chǎn)品中發(fā)揮重大作用。

縱覽市場上的三大電池材料，鈦酸鋰，成本高，能量密度低；磷酸鐵鋰，能量密度偏低，成本偏高，輸出電壓較低；三元材料，不夠安全。稍作對比，就能知道這種新電池材料的價(jià)值所在，可以說是完美的解決了現(xiàn)在鋰電池面臨的幾大瓶頸。

突破五：新型復(fù)合金屬鋰電極材料問世 突破商業(yè)化瓶頸

美國斯坦福大學(xué)著名材料學(xué)家崔屹與美國前能源部部長、諾貝爾物理獎得主朱棣文組成的研究團(tuán)隊(duì)，最近在金屬鋰電極的實(shí)際應(yīng)用研發(fā)方面取得重大突破。

金屬鋰具有極高的理論比容量和理想的負(fù)極電位。以金屬鋰為負(fù)極的二次電池，具有高工作電壓、高能量密度等優(yōu)勢，使得金屬鋰成為當(dāng)今能源存儲領(lǐng)域的首選材料。然而金屬鋰與電解液的副反應(yīng)，循環(huán)過程中的電極尺寸變化，以及鋰枝晶的形成。前者很大程度上降低了電池的庫倫效率，影響了其電化學(xué)性能；后兩者則會給金屬鋰電池帶來嚴(yán)重的安全隱患。

該研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次嘗試后，他們將目光轉(zhuǎn)向了納米技術(shù)。研究小組對材料表面特殊浸潤性進(jìn)行深入研究后，首次提出了“親鋰性”這一概念，并利用表面“親鋰化”處理的碳質(zhì)主體材料，通過建立“親鋰”的界面材料體系，開創(chuàng)性地將金屬鋰融化之后，利用毛細(xì)作用吸入碳纖維網(wǎng)絡(luò)的空隙中，成功制備出含有支撐框架的復(fù)合金屬鋰電極。新研究的復(fù)合金屬鋰電極在碳酸鹽電解液體系的循環(huán)過程中具有較小的尺寸變化、極高的比容量和良好的循環(huán)及倍率性能，其電壓曲線也相對平滑，突破了當(dāng)前制約金屬鋰電池商業(yè)化的主要問題。

復(fù)合金屬鋰電極由10%體積比的碳纖維和金屬鋰材料組成。碳纖維網(wǎng)絡(luò)具有良好的導(dǎo)電性，超高的機(jī)械強(qiáng)度和電化學(xué)穩(wěn)定性，因此，作為金屬鋰的主體框架材料是絕佳選擇。與之前的相關(guān)研究相比，梁正等人將金屬鋰融化，并依據(jù)不同材料的浸潤性所提出的“親鋰”“疏鋰”概念，為金屬鋰電極研究提供了新思路，并且對其他領(lǐng)域的研究具有極高的借鑒作用。

在這項(xiàng)科研中，編輯認(rèn)為，相較于合成新型復(fù)合金屬鋰電極材料這個成果，它們所提出來的“親鋰”、“疏鋰”概念的成就更大，因?yàn)檫@個概念為金屬鋰電極研究提供了新思路，可能會在未來的科研中開發(fā)出更優(yōu)秀的材料，更多的科研成果。

突破六：MIT新型鋰氧電池 或解決電動汽車?yán)m(xù)航“焦慮”

由麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程學(xué)院教授李巨領(lǐng)銜，與MIT、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)等另外幾名成員研究團(tuán)隊(duì)公布了新研發(fā)的鋰氧電池。

根據(jù)李巨教授介紹，“傳統(tǒng)的鋰空氣電池的工作原理是這樣的：在放電過程中，鋰空氣電池從外界吸收氧氣，并與電池的鋰產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。在充電過程中，則產(chǎn)生相反的化學(xué)反應(yīng)，氧被重新釋放到空氣中。而新型鋰氧電池，充電與放電過程中，鋰元素與氧氣進(jìn)行同樣的電化學(xué)反應(yīng)，但整個過程中根本不需要氧元素的氣態(tài)變化。氧元素一直以固態(tài)形勢存在，并可在三種氧化還原狀態(tài)中直接切換，產(chǎn)生三種不同的固體化合物——氧化鋰Li2O、過氧化鋰Li2O2以及超氧化鋰LiO2”。

新型電池的奧秘在于創(chuàng)建一個極小的微粒，大約在納米級別，成玻璃狀的微?？赏瑫r包含鋰與氧，并緊緊被包圍在氧化鈷（cobalt oxide）的小矩陣?yán)?。因?yàn)橥ǔ顟B(tài)下，納米鋰氧非常不穩(wěn)定，所以研究人員將它們放入了氧化鈷的矩陣之中。氧化鈷矩陣其實(shí)是一種類似海綿狀的物質(zhì)，每隔幾納米就有一個氣孔。氧化鈷矩陣一方面可以穩(wěn)定住納米鋰氧，另一方面，還可以充當(dāng)化學(xué)反應(yīng)的催化劑。

李巨教授將鋰空氣電池和新型鋰氧電池進(jìn)行對比，鋰空氣電池的一大缺點(diǎn)是電池充電與放電時電壓的不匹配。電池的輸出電壓比充電時的電壓要低1.2 伏還要多，這意味著在每一次完整充電過程中，都會產(chǎn)生巨大的能量損失，在充電時，約30%的電量以熱量的形式流失，如果你充電速度過快，它都可以自燃。鋰氧電池電壓損耗情況可以改善5倍以上，從1.2伏減為0.24伏，所以，僅有8%的電能被轉(zhuǎn)換成了熱量。這意味著汽車可以快速充電，因此電池組發(fā)燙的情況會解決，不再構(gòu)成安全隱患，而且電池的能源效率得到了保障。

鋰空氣電池其實(shí)是鋰干氧電池，因?yàn)樗耆荒芴幚沓睗褚约岸趸?。所以鋰空氣電池使用的輸入型空氣需要認(rèn)真處理。新電池完全不需要吸入以及排除氣體，這個困擾鋰空氣電池的問題迎刃而解。

此外，新型電池自身存在一種過度充電的保護(hù)機(jī)制，在過度充電情況下，化學(xué)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)自我約束。一旦過度充電情況發(fā)生，化學(xué)物質(zhì)馬上轉(zhuǎn)變成另外一種形態(tài)，從而化學(xué)反應(yīng)中止。在循環(huán)負(fù)荷試驗(yàn)中，新型電池的實(shí)驗(yàn)室版本完成了120遍充電—放電的循環(huán)測試，整個過程下來，僅有2%的能量損失，這意味著這種電池或?qū)碛谐L壽命。

研究團(tuán)隊(duì)表示，新電池使用的作為液體電解質(zhì)的碳酸鹽是最便宜的一種。此外，氧化鈷的重量還不到納米鋰氧重量的一半。整體而言，這種新型電池與鋰空氣電池相比，應(yīng)用更為廣泛、價(jià)格更為低廉、使用更為安全。

編輯認(rèn)為，這是一項(xiàng)重大突破，可能會推動氧基電池技術(shù)的重大發(fā)展。鋰空氣電池，被認(rèn)為是鋰離子電池的終極形態(tài)，而這個新型鋰氧電池更是鋰空氣電池的升級版，更加強(qiáng)大、更加方便、還更加安全。希望這項(xiàng)技術(shù)能夠快點(diǎn)成熟，走上市場！

突破七：中科院研制出高性能石墨烯鋰電池材料

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所劉錦淮和黃行九課題組的副研究員劉金云等在研制高性能石墨烯鋰離子電池方面取得新成果。

劉金云等通過美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校和中科院合肥研究院合作，研制了一種基于三維石墨烯的復(fù)合電池材料，具有高的活性材料負(fù)載量、短的離子電子傳輸路徑，而且電極材料組裝成電池不需要使用任何粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑等添加劑，電池具有高容量和優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。

研制的三維石墨烯/五氧化二釩電池正極材料，在12分鐘完全充/放電條件下，循環(huán)2000次后電池容量大于200 mAh/g（大量文獻(xiàn)報(bào)道小于1000次、容量普遍低于150 mAh/g）；而且1分鐘充電的容量，達(dá)到商用和文獻(xiàn)報(bào)道的大于5分鐘的相近容量。

此外，該三維石墨烯復(fù)合電池材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還可以應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料，比如研制石墨烯/硅復(fù)合負(fù)極，展現(xiàn)出良好的通用性。

從便攜式電子設(shè)備到新能源電動汽車，都對高性能鋰離子電池具有迫切需求。作為鋰離子電池的核心，電極活性材料普遍要求具有高容量和能量密度、長期循環(huán)穩(wěn)定和安全性。石墨烯鋰離子電池材料研發(fā)的突破，有望再度給石墨烯產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用和推廣帶來利好。

突破八：麻省理工發(fā)現(xiàn)新型可導(dǎo)電海綿狀MOF材料 推動電池技術(shù)發(fā)展

美國麻省理工學(xué)院首次發(fā)現(xiàn)了具有導(dǎo)電性的金屬-有機(jī)框架化合物MOF材料（metal-organic frameworks），海綿狀微觀結(jié)構(gòu)的新型MOF材料具有極高的儲能密度，有望能夠成為新一代超級電容/電池技術(shù)的核心材料。

海綿狀的新型MOF材料由于結(jié)構(gòu)特性，具有極高的材料表面積，由此可以制備具極高儲能密度的超級電容器，新型MOF材料被證明可在一定條件下具有導(dǎo)電性。這種具備高度導(dǎo)電性的MOF材料，打開了一個全新的應(yīng)用類型。

該團(tuán)隊(duì)相信，應(yīng)用該材料制備的超級電容將有更高的儲能密度，有望應(yīng)用在更廣的范圍內(nèi)，推動新一代電池技術(shù)發(fā)展。

碳納米管具有極好的中孔性能和導(dǎo)電性，采用碳納米管材料，制得的超級電容器，儲能密度比較高。但是碳納米管材料的制備條件非常嚴(yán)苛，且成本高昂。這種海綿狀的新型MOF材料制備的超級電容比碳納米管超級電容氣儲能密度更高，假如成本能夠有所降低的話，那么它或許會取代碳納米管超級電容器的地位，如果成本也比較高的化，那么應(yīng)用的空間肯能會縮小很多。

突破九：摻雜碳納米管片 新型鋰電池受損后可自我愈合

研究人員開發(fā)了一種新型鋰離子電池，即使受損后，它也能迅速“再生”，恢復(fù)對外供電。新一代電池利用一系列摻有聚合物的碳納米管片，在電池受損時不止會阻止泄露，還使“創(chuàng)傷面”能自我愈合。

開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的研究團(tuán)隊(duì)，利用佩戴在玩偶手臂上的柔性腕帶形狀電池進(jìn)行了演示。電池受到損傷后，會自己“長好”，恢復(fù)供電，就像沒有受到過損傷一樣。研究人員認(rèn)為自愈合電池可以用于可穿戴設(shè)備——尤其是有時可能受損的可穿戴設(shè)備。

目前，新型電池還處于試驗(yàn)階段，因此要應(yīng)用在Fitbit健身手環(huán)或Apple Watch等可穿戴設(shè)備中還需要一段時間。

傳統(tǒng)鋰離子電池雖然可以設(shè)計(jì)為柔性電池，但是，如果破裂、彎曲或受到過大壓力，它們?nèi)匀豢赡苁軗p。一旦電池受損，整個使用電池的設(shè)備就失效了，造成財(cái)物損失，另外電池算壞，還有可能造成有毒、帶有腐蝕性或易燃的化學(xué)物質(zhì)泄露，帶來安全隱患。這個可愈合的電池，編輯隱隱有些小激動啊，真是心疼以前扔掉的那些不小心弄壞電池電動玩具，真是可惜啊，沒趕上好時候！

突破十：華為石墨烯基高溫鋰離子電池取得重大突破

12月1日，華為中央研究院瓦特實(shí)驗(yàn)室宣布在鋰離子電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大研究突破，推出業(yè)界首個高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，以石墨烯為基礎(chǔ)的新型耐高溫技術(shù)可以將鋰離子電池上限使用溫度提高10℃，使用壽命是普通鋰離子電池的2倍。

華為瓦特實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家李陽興博士指出，石墨烯基高溫鋰離子電池技術(shù)突破主要來自三個方面：在電解液中加入特殊添加劑，除去痕量水，避免電解液的高溫分解；電池正極選用改性的大單晶三元材料，提高材料的熱穩(wěn)定性；同時，采用新型材料石墨烯，可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱。

據(jù)介紹，高溫環(huán)境下的充放電測試表明，同等工作參數(shù)下，該石墨烯基高溫鋰離子電池的溫升比普通鋰離子電池降低5℃； 60°C高溫循環(huán)2000次，容量保持率仍超過70%；60℃高溫存儲200天，容量損失小于13%。

這一研究成果將給通信基站的儲能業(yè)務(wù)帶來革新。在炎熱地區(qū)使用該高溫鋰離子電池的外掛基站工作壽命可達(dá)4年以上。石墨烯基鋰離子電池也將助力電動車在高溫環(huán)境下持久續(xù)航，以及無人機(jī)高溫發(fā)熱下的安全飛行。

編輯認(rèn)為，在華為的這款新型電池中，石墨烯是用來實(shí)現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間高效散熱的，所以華為這個“石墨稀基”有些耐人尋味。但是，石墨烯高導(dǎo)熱的性能是公認(rèn)的，用來提升散熱性能這是個值得推廣的思路。另外，華為提到的該技術(shù)可以用于極端環(huán)境地區(qū)的通訊基站，也明確了這款電池的優(yōu)勢是在極端環(huán)境下保證儲能-供能穩(wěn)定，并非無所不能。