淺析新能源汽車動力電池研發(fā)方向

羅乾城

摘 要：在2015年4月6日，美國斯坦福大學(xué)戴宏杰教授團隊在正式提出新能源汽車動力電池之后，就得到社會大眾高度關(guān)注?，F(xiàn)階段，戴宏杰教授小組的研究結(jié)果在美國獲得專利保護，同時多家國際化企業(yè)也相繼希望買斷該技術(shù)。雖然新能源汽車動力電池還沒有成熟，但是其依舊憑借低廉原材料與良好循環(huán)性能，讓人們確信其必然成為主要化學(xué)電池。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動力電池；循環(huán)性能

1 新能源汽車動力電池研究背景

在過去十多年時間內(nèi)，全球范圍內(nèi)化石燃料消耗量不斷增加，溫度效應(yīng)現(xiàn)象越加明顯，PM2.5濃度不斷增加，新能源受到了公眾的高度關(guān)注。[1]因此，研究人員相繼將研究重點放在可再生綠色能源研發(fā)上，如水能、風(fēng)能等。因為傳統(tǒng)綠色可再生能源在空間與時間分布上存在一定偏差，進而在實際應(yīng)用內(nèi)需要配備高效能量儲存裝置。在上世紀(jì)90年代之后，鋰鈷酸鋰離子為陽極，石墨為陰極，在社會內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，但是也逐漸顯示出一些問題，例如成本昂貴、安全性能低下等。除此之外，新能源汽車動力電池在制備過程中所需要應(yīng)用到的鋰離子資源屬于不可再生能源，地殼中儲存的鋰量有限，分布不均。這也限制新能源汽車動力電池在電動汽車與智能電網(wǎng)內(nèi)應(yīng)用。[2]

鋰離子在應(yīng)用十多年時間之后，隨著其應(yīng)用范圍與生產(chǎn)數(shù)量不斷增加，造成鋰資源銷售價格持續(xù)增加。就可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略角度而言，使用地球內(nèi)儲存更加豐富的資源研發(fā)化學(xué)電池體系，降低化學(xué)電池經(jīng)濟成本，延長化學(xué)電池可循環(huán)壽命，提高化學(xué)電池安全性能，已經(jīng)成為化學(xué)電池今后必然發(fā)展趨勢。所以，二次電池也成為研究人員的研究熱點，尤其是和鋰離子點化學(xué)性質(zhì)比較相似的鈉離子，其化學(xué)電池在研發(fā)上具有新能源汽車動力電池經(jīng)驗與技術(shù)作為進行參考。[3]而現(xiàn)階段需要特別注意的是，不管是鈉離子電池還是其他類型電池，其可循環(huán)性能與充放電容性能并未達(dá)到預(yù)期效果，進而尚不能與新能源汽車動力電池進行競爭。

2 新能源汽車動力電池原理與優(yōu)劣分析

2.1 新能源汽車動力電池原理

新能源作為地殼內(nèi)金屬儲存量之首，其可開采含量大約為鋰資源1000倍，同時以新能源作為電池載體，可以有效降低新能源生產(chǎn)成本。在之前三十多年時間內(nèi)，人們始終對新能源進行研究，但是所取得的研究成果數(shù)量十分有限。在1988年美國新澤西州某公司就對可充放電新能源汽車動力電池進行過報道，但是由于當(dāng)時所使用的陰極材料容易分解，進而并未得到社會大眾關(guān)注。2011年，美國Archer教授所帶領(lǐng)的團隊也對可充放電新能源汽車動力電池進行過報道，但是由于該新能源汽車動力電池放電電壓等級較低，進而所取得的成果也并不理想。正是由于這些問題存在，新能源汽車動力電池早期研究十分艱難。截止到目前為止，新能源汽車動力電池有關(guān)專研究依舊將鋁看作一次性金屬燃料，尚未實現(xiàn)充放電循環(huán)。但是在斯坦福團隊對新能源所做出的報道內(nèi)，在新能源汽車動力電池循環(huán)性能與材料上取得了較大突破。

新能源車輛的動力電池如圖1所示，其以金屬鋁作為負(fù)極，以三維泡沫石墨烯作為正極，以四氯化鋁陰離子作為電解液，在常溫狀態(tài)下可以完成電池可逆充放電。但是石墨烯材料屬于層狀結(jié)構(gòu)，其可以像鋰陽離子容納其他陽離子一樣，容納四氯化鋁陰離子，這也是新能源汽車動力電池可以高效穩(wěn)定運行前提條件。當(dāng)新能源汽車動力電池放電時，四氯化鋁陰離子可以從石墨烯正極脫離出來，然后和金屬鋁出現(xiàn)發(fā)生負(fù)極反應(yīng)，形成Al3Cl7-。當(dāng)新能源汽車動力電池放電時，上述反應(yīng)將發(fā)生逆轉(zhuǎn)，進而讓新能源汽車動力電池可以完成充放電循環(huán)。[4]

2.2 新能源汽車動力電池優(yōu)勢

本文所分析的新能源汽車動力電池與常規(guī)二次電池相比較，其具有一定顯著優(yōu)勢，具體主要表現(xiàn)在以下幾方面：

2.2.1 快速充放電特性與超長循環(huán)壽命

斯坦福團隊在實驗研究之后發(fā)現(xiàn)，負(fù)極電池采用三維泡沫石墨烯，可以借助其良好導(dǎo)電性能與表面積，有效縮短專新能源汽車動力電池充放電時間，同時提升新能源汽車動力電池循環(huán)性能。如，新能源汽車動力電池在5000mAh/g電流狀態(tài)下，電池在一分鐘之內(nèi)就可以充滿。同時，新能源汽車經(jīng)過7500次循環(huán)后的電池充放電，電池容量基本不會變化。7500次循環(huán)也就表示專要是每天進行一次充放電，新能源汽車動力電池在20年之后依舊可以完好應(yīng)用，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們對新能源汽車動力電池充放電1000次壽命預(yù)期。[5]

2.2.2 安全性突出

新能源汽車動力電池應(yīng)用致命問題就是安全性能較差。新能源汽車動力電池和新能源汽車動力電池是不同的，本文新能源汽車動力電池專采取離子液體作文電解液，進而在實際應(yīng)用內(nèi)并不存在易燃易爆安全問題。在斯坦福大學(xué)研究小組播放的視頻中，該團隊成員使用電鉆鉆入正在應(yīng)用的新能源汽車動力電池，電池依舊可以正常運行，并未出現(xiàn)燃燒問題。除此之外，新能源汽車動力電池原材料獲取更加方便，經(jīng)濟成本低廉，雖然三維泡沫石墨烯當(dāng)前經(jīng)濟成本較高，但是在不遠(yuǎn)將來，隨著新能源汽車動力電池生產(chǎn)規(guī)模與應(yīng)用范圍更加廣泛，生產(chǎn)成本也將大大降低。

2.3 新能源汽車動力電池缺點

雖然新能源汽車動力電池在實際應(yīng)用內(nèi)具有上述優(yōu)勢，但是也存在一定缺點。當(dāng)前，新能源汽車動力電池只能夠釋放2V電壓，電壓等級要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于3.6V電壓等級的新能源汽車動力電池。僅對電池活性物質(zhì)進行計算，新能源汽車動力電池能量密度的活性物質(zhì)只有40 wh /公斤，活性物質(zhì)能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原有新能源汽車動力電池100Wh/kg。[6]

要是從電池能量密度與工作電壓角度來說，本文所提出的新能源汽車動力電池更加與人們所了解到的鉛酸電池與堿性電池等水相電池相似，和現(xiàn)在正在研究的鈉離子電池還存在較大差距，更加不要說現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的新能源汽車動力電池。除此之外，新能源汽車動力電池在運行內(nèi)還需要成本相對昂貴的離子液體電解液，新型能源汽車動力電池成本較高。

3 新能源汽車動力電池應(yīng)用注意事項

作為最適合便攜式設(shè)備的充電電池，新能源汽車動力電池的應(yīng)用也在不斷擴大。隨著移動設(shè)備的多樣化，其重要性在未來將變得越來越重要。為了今后的進一步發(fā)展，我們必須注意以下幾點：

3.1 降低材料開發(fā)成本

特別是，有必要減少正極材料鈷酸鋰，隔板，電解液的成本，陽極碳材料。人們正在嘗試使用鎳（LiNiO 2）和錳（LiMn2O4）作為正極活性材料。

3.2 在重量能量密度方面

新能源汽車動力電池雖然保持了其優(yōu)勢，但鎳氫二次電池的體積能量密度正在提高。為了保持新能源汽車動力電池的優(yōu)勢，有必要繼續(xù)提高其容量。從這個角度看，硬碳負(fù)極材料包含的可能性大，非常希望。

4 新能源汽車動力電池未來展望

雖然當(dāng)前對新能源研究僅僅為一個初步分析，但是這也為今后新能源汽車動力電池分析研究吹響了號角，今后新能源汽車動力電池研究工作非常容易就集中在大內(nèi)存容量與高運行電壓的正極材料上面，進而最大程度提升新能源汽車動力電池工作電壓與功率密度，同時積極探索成本更加低廉的電解液也是新能源汽車動力電池今后在研究分析上重點考慮的一個問題。要是新能源汽車動力電池現(xiàn)在所存在的這些問題都能夠得到有效解決，同時與其他技術(shù)指標(biāo)相結(jié)合，其經(jīng)濟成本與應(yīng)用優(yōu)勢將會更加顯著，新能源汽車動力電池這種安全、充放電靈活、可循環(huán)使用、低廉的化學(xué)電池必然將會在人們?nèi)粘Ｉ顑?nèi)普及。需要特別強調(diào)一點的是，因為新能源自身特征，其無法在高能量密度行業(yè)內(nèi)應(yīng)用，進而無法和新能源汽車動力電池之間形成直接競爭關(guān)系。相反，新能源汽車動力電池會憑借良好安全性能、可循環(huán)壽命與低廉經(jīng)濟成本讓其在大規(guī)模電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。不管新能源研究是否取得成功，新能源汽車動力電池的產(chǎn)生為人們提供了一種新的可能性。

參考文獻：

[1]曹文卓，汪君洋，陳汝頌，索鎏敏，李泓.多電子轉(zhuǎn)移鎂/鋁電池體系能量密度熱力學(xué)計算[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2018，7（03）：437-449.

[2]國內(nèi)首個新能源汽車動力電池或在大亞灣誕生[J].鋁加工，2017（04）：9.

[3]谷思辰. AlCl_3/[BMIM]Cl離子液體電解液對新能源汽車動力電池性能的影響[A]. 中國化學(xué)會.中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第三十分會：化學(xué)電源[C].中國化學(xué)會：，2016：1.

[4]鄭進.泡沫石墨在新能源汽車動力電池中的應(yīng)用研究[J].化工管理，2016（01）：220.

[5]本刊編輯部.電池的革命性變化——快速充放電新能源汽車動力電池誕生[J].實驗室研究與探索，2015，34（05）：3-4.

[6]賈磊.斯坦福大學(xué)成功研發(fā)新能源充電電池[J].無機鹽工業(yè)，2015，47（05）：47.