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“鋰”想很豐滿(mǎn),現實(shí)很骨感

來(lái)源:本站  發(fā)布時(shí)間:2018年10月21日 作者:

鋰離子電池要大規模應用,制造費用偏“貴”,因為要考慮到在線(xiàn)維護以及回收處理的問(wèn)題、電池的使用壽命問(wèn)題、系統安全問(wèn)題,以至整個(gè)產(chǎn)業(yè)的可持續發(fā)展。破解這些難題,應該發(fā)展兼具低成本、長(cháng)壽命、高安全、易回收的新型電池技術(shù)。

鋰離子電池因其具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)效率高等優(yōu)點(diǎn)而成為新能源汽車(chē)動(dòng)力電池選擇中的“香餑餑”。數據顯示,2018年上半年,全球新增投運電化學(xué)儲能項目裝機規模697.1兆瓦(MW),同比增長(cháng)133%,相比2017年底增長(cháng)24%。從技術(shù)分布上看,鋰離子電池裝機規模最大,為690.2MW,占比為99%,同比增長(cháng)142%。我國新增投運電化學(xué)儲能項目裝機規模100.4MW,同比增長(cháng)127%,鋰離子電池的裝機規模最大,為94.1MW。

“用鋰離子電池來(lái)代替傳統的柴油發(fā)電機,在軍事演習、醫院搶救、通信、應急的動(dòng)力牽引等方面有非常豐富的應用場(chǎng)景,有更加靈活便捷的應用?!毖芯咳藛T直言,隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)快速發(fā)展,未來(lái)3~5年鋰離子電池發(fā)展潛力巨大。

“‘鋰’想”聽(tīng)起來(lái)似乎特別豐滿(mǎn),但是,隨著(zhù)鋰電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的深入,一些突出問(wèn)題也日漸顯現,“現實(shí)”開(kāi)始表現出“骨感”的一面。人們雖然看好鋰電池應用前景的同時(shí)也表示了對其安全問(wèn)題的擔憂(yōu)。

研究人員表示,從便攜式電子設備到電動(dòng)汽車(chē)再到大型儲能電站,市場(chǎng)對鋰離子電池性能的要求是從高能量密度逐步向低成本以及高安全發(fā)展的。

目前,市場(chǎng)上的大電池技術(shù)還是由小電池技術(shù)發(fā)展而來(lái),制造費用偏“貴”。因為沒(méi)有考慮到在線(xiàn)維護以及回收處理的問(wèn)題,整個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈的成本都比較高昂,電池的使用壽命也受到限制,伴隨系統安全問(wèn)題,造成整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不可持續。

如何破解這些“骨感”難題? 

“應該發(fā)展兼具低成本、長(cháng)壽命、高安全、易回收的新型電池技術(shù)?!?

研究人員提出:讓電解質(zhì)“剛柔并濟”

鋰電池最重要的安全隱患來(lái)自于電解液,目前選擇的液態(tài)有機電解液易燃易爆。研究人員表示,用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液,是業(yè)內公認的提升鋰電池安全性能最為有效的選擇。

“目前固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質(zhì)普遍存在性能短板,距離高性能鋰離子電池系統的要求仍有不小的距離。此外,‘固固接觸界面’的失效行為以及背后的失效機理也亟待闡明?!毖芯咳藛T認為,構建高性能固態(tài)電池需要從兩個(gè)方面入手:構建高性能的固態(tài)電解質(zhì)、提高界面的兼容性和穩定性。

研究人員介紹了一種“剛柔并濟”的設計理念,其中“剛”指的是剛性的聚合物骨架以及剛性的無(wú)機顆粒,“柔”指的是柔性的聚合物離子傳輸材料。通過(guò)聚合物和聚合物之間、聚合物和無(wú)機顆粒之間的路易斯酸堿相互作用,可以為鋰離子傳輸創(chuàng )造新的通道,并大幅提升電解質(zhì)的綜合性能。此外,他所在的團隊也開(kāi)發(fā)了一系列與聚合物電解質(zhì)相互匹配的鋰鹽,可以提升電解質(zhì)的離子遷移數,從而改善固態(tài)電解質(zhì)的離子傳輸性能。

目前,研究人員所在團隊設計的固態(tài)電池單體能量密度可達291.6瓦小時(shí)/千克,循環(huán)850次容量保持率超過(guò)85%,可以通過(guò)五次穿釘測試,不著(zhù)火不爆炸,同時(shí),電壓在短時(shí)間下降后還可以快速恢復。

從基礎設計處突破

鋰漿料電池是指電池的全部或部分電極是由漿料態(tài)的儲鋰活性物質(zhì)、導電劑和電解液構成。鋰漿料電池具有超厚漿料電極和可維護再生兩大顯著(zhù)技術(shù)特征。

“目前鋰離子電池采用的連接方式,其厚度一般是100~200微米,如果提升厚度會(huì )造成電極片嚴重皸裂、使用過(guò)程中電極材料脫落、電池容量下降,以及循環(huán)性能衰減?!毖芯咳藛T表示。

鋰漿料本身具有一個(gè)動(dòng)態(tài)的接觸導電網(wǎng)絡(luò ),不存在脫落風(fēng)險,電極厚度可以達到毫米級,是普通鋰離子電池的10~50倍,因此鋰漿料電池可能更適合于提供大容量的儲能電率輸出。鋰漿料電池做了一些結構上的設計,結合漿料電極的特性,十分便于補液、換液以及換漿操作。

“電池使用一段時(shí)間性能下降后,可以對電池內部界面進(jìn)行修復再生,重新提升電池活力,延長(cháng)使用壽命。另外,當電池報廢后,漿料還非常便于回收,材料經(jīng)過(guò)再生處理之后可以用于新電池的生產(chǎn)?!毖芯咳藛T解釋道。

研究人員所在研究團隊對鋰漿料電池及其工藝的評價(jià)分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段是“60分”階段,主要是證實(shí)鋰漿料電池性能可行性以及工藝可行性,目前,該階段已經(jīng)完成;第二階段為“80分”階段,進(jìn)一步提高電池能量密度,使它常態(tài)工作倍率達到0.2以上,瞬態(tài)倍率能夠到0.5,預計今年年底實(shí)現;2019~2020年達到“90分”階段,這一階段,產(chǎn)品性能趨于穩定并逐步提升,主要工作是提高生產(chǎn)技術(shù),以及后期的在線(xiàn)維護、回收再生等。

做好原材料回收

“如果從鋰電池全生命周期來(lái)觀(guān)察,降低電池材料成本需要從原材料入手進(jìn)行研發(fā)?!毖芯咳藛T表示,“原材料回收可以在一定程度上降低電池領(lǐng)域或者其他材料領(lǐng)域對于全國原礦的壓力?!?

目前,電池回收技術(shù)主要包括預處理過(guò)程、活法和濕法等方面。近年來(lái),很多企業(yè)和研究院對預處理環(huán)節越來(lái)越重視。研究人員介紹道,拆解和破碎過(guò)程主要釋放電解液的揮發(fā)物。此外,前期的密度篩分會(huì )對后期各種金屬的浸出率產(chǎn)生直接的影響。

研究人員表示,鋰電池活法回收技術(shù)中一項重要工作是分析磷酸鐵鋰的失效機制,“我們希望對每種材料,最好是采用不同的方式,就像病人看病一樣對癥下藥。磷酸鐵鋰結構非常穩定,鋰的位置在充過(guò)電以后會(huì )出現缺失,所以,經(jīng)過(guò)元素分析可以看到在失效或上千次循環(huán)以后的磷酸鐵鋰材料功能”。

“磷酸鐵以及鐵的氧化物等材料導致磷酸鐵性能容量直接下降?;谶@種失效機制,在后期材料的混合物中進(jìn)行‘補鋰’,可以補碳酸鹽形式,或者氫氧化鋁形式,進(jìn)行高溫煅燒,材料性能就會(huì )有一定的恢復?!崩铥愓f(shuō)。

此外,傳統濕法技術(shù)主要是用酸的混合液對材料金屬元素從固相到液相進(jìn)行分離,多為正極材料,負極和電解液的回收在過(guò)去幾十年為人們所忽視。

“可能因為負極石墨很便宜,所以大家覺(jué)得不值得補充?!崩铥惐磉_了自己的看法,“目前來(lái)講,我們希望對不同的部件進(jìn)行全方位再生和資源化。負極材料回收以后可以生成石墨烯材料,而在電池領(lǐng)域或其他領(lǐng)域,石墨烯高導電性的吸引力是非常大的?!?

電解液的回收也有技術(shù)可行性。采用二氧化碳的連接萃取方式,使電解液重新進(jìn)行匹配以后,其電導率可以達到目前商業(yè)化的要求。

不過(guò),如何保證電池中有價(jià)金屬的高浸出效率、高經(jīng)濟性和環(huán)境性?其實(shí)最初的材料設計非常關(guān)鍵。是不是可以從源頭進(jìn)行一個(gè)最早的設計,使得材料在設計之初就是可降解的?

“希望在未來(lái)幾年有一些突破?!?nbsp;研究人員最后補充道。


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