提升電池能量密度原來(lái)這么難

李文慧

只有當(dāng)出現(xiàn)新的材料體系時(shí)，

才可能實(shí)現(xiàn)電池能量密度的飛躍。

隨著近幾年新能源汽車(chē)財(cái)政補(bǔ)貼的不斷退坡，以及更激烈的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，更大的續(xù)航里程、更高的動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度，成為了新能源汽車(chē)生產(chǎn)不得不關(guān)注的技術(shù)焦點(diǎn)和難點(diǎn)。

然而事實(shí)上，電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程還與整車(chē)能量密度成正比，整車(chē)能量密度越大，續(xù)航里程就越長(zhǎng)，因此，提升動(dòng)力電池的能量密度就成為了新能源汽車(chē)發(fā)展的重中之重。

能量密度是指在單位一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。電池的能量密度越大，單位體積或重量?jī)?nèi)存儲(chǔ)的電量越多。

公開(kāi)發(fā)表的最新研究資料顯示，我國(guó)動(dòng)力電池的能量密度正在不斷提升，高電池能量密度的車(chē)型在不斷增加。

在純電動(dòng)乘用車(chē)領(lǐng)域，2014年動(dòng)力電池能量密度平均為90.61Wh/kg，2019年為145.87Wh/kg，6年間的平均年增量為11.6Wh/kg。專(zhuān)家分析稱(chēng)，以此增長(zhǎng)速率預(yù)測(cè)，到2022年，電池能量密度將達(dá)到180Wh/kg，電動(dòng)汽車(chē)的性能將會(huì)更加出色。

除了動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度，單體電芯能量密度也是評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。單體電芯能量密度，顧名思義是單個(gè)電芯級(jí)別的能量密度。有業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示，2025年，電池能量密度將達(dá)到400Wh/kg;2030年，電池能量密度達(dá)到500Wh/kg。

2025馬上到來(lái)，2030就在眼前，如何提升動(dòng)力電池能量密度就顯得格外重要。

更“強(qiáng)勢(shì)”的電極材料

中國(guó)科學(xué)院專(zhuān)家的一份研究報(bào)告顯示，動(dòng)力電池是利用材料的氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)能和釋放能量，因此其能量密度的理論極限由發(fā)生氧化還原反應(yīng)的活性材料決定，取決于反應(yīng)過(guò)程中單位活性材料能夠提供的電子數(shù)量以及材料的氧化還原電壓。當(dāng)電池的材料體系確定時(shí)，電池的理論能量密度就已確定。例如，以石墨類(lèi)碳材料為負(fù)極材料，過(guò)渡金屬鋰氧化物為正極材料計(jì)算，傳統(tǒng)鋰離子電池的理論極限約為300 Wh/kg。只有當(dāng)出現(xiàn)新的材料體系時(shí)，才可能實(shí)現(xiàn)電池能量密度的飛躍。

對(duì)同一個(gè)材料體系，通過(guò)電池設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)提高活性物質(zhì)的含量，也可以提高電池的實(shí)際能量密度，使其向理論能量密度靠近。

不過(guò)，一般這種能量增長(zhǎng)速度是比較慢的（每年3%～5%），比如鉛酸電池，距離法國(guó)人普蘭特1859年發(fā)明鉛酸蓄電池已經(jīng)有150年的今天，其能量密度才從最初的25Wh/kg發(fā)展到現(xiàn)在的

50 Wh/kg。

專(zhuān)家認(rèn)為，從材料的角度提高動(dòng)力電池的能量密度，需要使用具有更高比容量或氧化還原反應(yīng)電勢(shì)（負(fù)極電勢(shì)更負(fù)，正極電勢(shì)更正）的電極材料。目前正極材料的克容量低于負(fù)極，結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，提高反應(yīng)電勢(shì)的空間也比較大，因此未來(lái)發(fā)展高能量密度正極可同時(shí)從提高容量和提高電壓兩方面著手。負(fù)極方面，鋰負(fù)極的氧化還原反應(yīng)電位已經(jīng)是所有元素中最低的，大部分負(fù)極材料的嵌鋰電位也都較低，負(fù)極電位的可調(diào)控空間較小，因此負(fù)極方面需要解決的主要問(wèn)題是高容量的問(wèn)題。

從目前發(fā)展的態(tài)勢(shì)來(lái)看，短期和中期內(nèi)比較有應(yīng)用前景的高能量密度正極材料主要是高鎳三元材料和富鋰錳基材料，以及具有高反應(yīng)電勢(shì)的5 V尖晶石鎳錳酸鋰材料和5 V磷酸鹽材料系列。而中長(zhǎng)期目標(biāo)將是具有極高容量的硫正極和氧氣正極。

電解液狀態(tài)改變循環(huán)效率

研究報(bào)告顯示，除了改變電池材料體系，使用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液可以很大程度上抑制電極的界面反應(yīng)，提高電池的循環(huán)效率，同時(shí)固態(tài)電解質(zhì)也比可燃的液態(tài)電解液更加安全，因此固態(tài)技術(shù)可以同時(shí)提升電池的能量密度和安全性。

固態(tài)電解質(zhì)主要有無(wú)機(jī)物、聚合物和無(wú)機(jī)/聚合物復(fù)合三大類(lèi)，經(jīng)過(guò)研究者的不懈努力，目前已經(jīng)有電導(dǎo)率超過(guò)10-2S/cm 的硫基電解質(zhì)被報(bào)道，與液態(tài)電解液的電導(dǎo)率相當(dāng)。

固態(tài)電池目前也存在巨大的技術(shù)瓶頸：一是固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率通常比液態(tài)電解質(zhì)低2個(gè)數(shù)量級(jí)，開(kāi)發(fā)出電導(dǎo)率接近液態(tài)電解液且加工性能良好的固態(tài)電解質(zhì)是巨大的難題;二是固態(tài)電池中的固-固接觸界面有很大的鋰離子傳導(dǎo)阻抗，尤其是固態(tài)電極材料內(nèi)部的鋰離子傳輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有挑戰(zhàn)性。發(fā)展固態(tài)電池技術(shù)的主要工作就是開(kāi)發(fā)高電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)材料，構(gòu)建良好的電解質(zhì)和電極固-固界面及正極內(nèi)部的離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

由于客觀(guān)原因，短時(shí)間內(nèi)固態(tài)電池技術(shù)估計(jì)難以取得較大的突破，因此，在正極和界面加入少量電解液，而負(fù)極側(cè)使用鋰金屬與固態(tài)電解質(zhì)接觸的半固態(tài)電池可能會(huì)是通往全固態(tài)電池道路上的一個(gè)過(guò)渡技術(shù)。

提升動(dòng)力電池能量密度是一條道阻且長(zhǎng)的路，然而車(chē)企在發(fā)展過(guò)程中依舊不能放松對(duì)安全性的考量。

性能決定了車(chē)企能走多快，安全性決定了企業(yè)能走多遠(yuǎn)。盡管電池能量密度如此重要，但電池的安全性依舊是企業(yè)和政府首先要考慮的事情。