鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：6406次 | 2018年10月14日
全球十大電池技術(shù)突破進(jìn)展盤點(diǎn)
一、水和鋅基電池
安全、高能量密度、壽命長(zhǎng)
美國(guó)·馬里蘭大學(xué)
馬里蘭大學(xué)的研究人員在一種新的水和鋅基電池上取得重大突破，未來(lái)或?qū)⒂糜谑謾C(jī)電腦等消費(fèi)產(chǎn)品。該技術(shù)由美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院在《自然資源》雜志上發(fā)表。
鋅和水的組合對(duì)于解決安全問(wèn)題特別有效，據(jù)研究人員稱，新電池不會(huì)像手機(jī)和筆記本電腦中普遍使用的鋰離子電池一樣具有火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在壽命方面也超越鋰電池，能量密度也不遜于鋰電池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
比利時(shí)校際微電子中心研制出一種導(dǎo)電性突出的固態(tài)納米復(fù)合材料電解質(zhì)，基于這種新電解質(zhì)研制電池能量密度達(dá)到每升200瓦時(shí)，充電速度為兩小時(shí)。
二、新型固態(tài)鋰電池
快充、安全、壽命長(zhǎng)
比利時(shí)·校際微電子中心
比利時(shí)校際微電子中心研制出一種固態(tài)納米復(fù)合材料電解質(zhì)，導(dǎo)電性尤其突出，高達(dá)每厘米10毫西門子，而且今后有望進(jìn)一步提升。校際微電子中心已使用這種新電解質(zhì)制造出一個(gè)電池原型。這個(gè)電池原型的能量密度達(dá)到每升200瓦時(shí)，充電速度為兩小時(shí)。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
為了進(jìn)一步提升電池性能，校際微電子中心正研究把納米顆粒電極與納米復(fù)合材料電解質(zhì)結(jié)合在一起，使用超薄涂層作為緩沖層，以控制活性電極和電解質(zhì)之間的相互作用。
這種固態(tài)電池兼容金屬鋰陽(yáng)極，目標(biāo)為0.5小時(shí)充滿每升1000瓦時(shí)。再加上使用壽命長(zhǎng)、安全性能高，從而使這種小巧的電池前景廣闊，未來(lái)可應(yīng)用于遠(yuǎn)程電動(dòng)車。
三、鎂固態(tài)電池
低成本、高能量密度
美國(guó)·能源部國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室
能源部國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室美國(guó)(NREL)成功研發(fā)出鎂固態(tài)電池，且該電池原型能量密度與材料成本皆比鋰離子電池佳。
電池離子透過(guò)電解質(zhì)在正負(fù)極之間流動(dòng)，借由電化學(xué)反應(yīng)為電池供電，且該反應(yīng)必須是可逆的，不然無(wú)法為電池充電，但鎂電池中的碳酸鹽電解質(zhì)在充放電循環(huán)中容易在鎂表面形成阻擋層，阻礙電池充電。雖然鎂也可以透過(guò)高腐蝕性液態(tài)電解質(zhì)充放電，但假如采用腐蝕性電解質(zhì)，鎂電池將無(wú)法在高電壓下運(yùn)作，也有安全疑慮。
目前研究人員已成功打造鎂固態(tài)電池原型，研究指出，被保護(hù)的鎂陽(yáng)極也可在碳酸鹽電解質(zhì)中充電，且可提供更多能量。此外，研究團(tuán)隊(duì)除了成功研發(fā)出可循環(huán)充電的鎂電池，也提供陽(yáng)極與電解質(zhì)不相容解決途徑跟破解陰極對(duì)離子的局限。
四、循環(huán)壽命達(dá)10000次的鎳鋅電池
循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全環(huán)保
中國(guó)·大連理工大學(xué)
大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院李明強(qiáng)副教授課題組在綠色動(dòng)力電池方面取得重大突破，使鎳鋅電池循環(huán)壽命提高了10倍。
鎳鋅電池作為一種古老的動(dòng)力電池，有著諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其安全環(huán)保的特點(diǎn)最適合驅(qū)動(dòng)電動(dòng)客車。但目前商業(yè)化的鎳鋅電池普遍存在循環(huán)壽命短的問(wèn)題，循環(huán)壽命很少超過(guò)1000次，大大限制了其在電動(dòng)車上的應(yīng)用。
李明強(qiáng)課題組利用氧化鋅對(duì)石墨烯的原位剪裁技術(shù)，構(gòu)建新型鎳鋅電池負(fù)極材料，應(yīng)用于二次電池中。電池的循環(huán)壽命可達(dá)10000次，容量衰減率僅為0.0011%，最大放電容量為2603mAh/g，有效解決了鎳鋅電池負(fù)極循環(huán)壽命低的問(wèn)題。
目前，課題組已成果組裝了基于該類電池的電動(dòng)自行車和5千瓦的液流儲(chǔ)能電池模塊，并在相關(guān)企業(yè)進(jìn)行了試生產(chǎn)。
五、循環(huán)超700次的鋰空氣電池
高比容量、較好循環(huán)壽命
美國(guó)
鋰空氣電池是一種非常有潛力的高比容量電池技術(shù)，其利用鋰金屬與氧氣的可逆反應(yīng)，理論能量密度上限達(dá)到11000Wh/kg，遠(yuǎn)超過(guò)鋰電池目前的實(shí)際能量密度，因此得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱捧，被廣泛認(rèn)為是一項(xiàng)電池領(lǐng)域中未來(lái)的顛覆技術(shù)。
然而鋰空氣電池反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜、極化大效率低、循環(huán)壽命不佳，有人認(rèn)為并不是未來(lái)電池工業(yè)的靠譜發(fā)展方向。
近期美國(guó)科學(xué)家在鋰空氣電池的研究方面達(dá)成了突破，成功制成了可在類空氣氣氛中循環(huán)超700次的電池，很好的解決了之前很多體系只能與純氧反應(yīng)、循環(huán)壽命差的問(wèn)題，在該領(lǐng)域的科學(xué)研究層面取得了重大進(jìn)展。
六、鈦鈮材料鋰電池
高能量密度、快充、損耗率低
日本·東芝
東芝官方近期宣布已成功研發(fā)新一代車用鋰離子電池，有望在2019年商用。該電池采用鈦鈮氧化物陽(yáng)極材料，相對(duì)目前三元、磷酸鐵鋰等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)顛覆性的進(jìn)步。新電池具備能量密度高、充電效率快等優(yōu)點(diǎn)，只需充電6分鐘就能達(dá)到90%的電量，在日本JC08測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下，可行駛320公里。目前鋰電池平均需要30分鐘才能充至80%電量。
同時(shí)，該電池在充放電5000次之后，仍能保持90%以上的電池容量，損耗率極低。而且在零下10度的低溫環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)快充，在零下30度仍可正常使用。照此計(jì)算，如果每天充電一次，該電池可使用近14年。
七、可恢復(fù)容量的電池
循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)保
新加坡·南洋理工大學(xué)
近期，新加坡南洋理工大學(xué)的科研人員成功研發(fā)一項(xiàng)新的電池技術(shù)，讓用舊的老電池在10小時(shí)內(nèi)恢復(fù)至95%的容量，讓電池“返老還童”。
這項(xiàng)新技術(shù)是在每個(gè)鋰離子電池中已有的兩電極間增加第三電極，從而將殘留的鋰離子從一極排出到另一極，去除影響電池性能的“雜質(zhì)”。因?yàn)樘烊粚傩韵拗疲囯姵厥褂脮r(shí)間越長(zhǎng)，容量就睡損失越明顯，一般300-500次充放電循環(huán)后就會(huì)損失15-20%的容量，而且無(wú)法逆轉(zhuǎn)。
這一發(fā)明既能延長(zhǎng)電池使用壽命，也有利于環(huán)保，蘋果、三星和松下等產(chǎn)業(yè)巨頭都對(duì)這項(xiàng)發(fā)明興趣濃厚。
八、硫模板技術(shù)讓鋰電池再“瘦身”
小體積、高容量
中國(guó)·天津大學(xué)
天津大學(xué)楊全紅研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出“硫模板法”，通過(guò)對(duì)高體積能量密度鋰離子電池負(fù)極材料設(shè)計(jì)，最終完成石墨烯對(duì)活性顆粒包裹的“量體裁衣”。借助這一技術(shù)，未來(lái)鋰離子電池有望進(jìn)一步“瘦身”，變得更輕薄耐用。
納米技術(shù)可以使電池“更輕”，但由于納米材料較低的密度，“更小”成為橫亙?cè)趦?chǔ)能領(lǐng)域科研工作者面前的一道難題。碳納米材料構(gòu)建的碳籠結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是解決錫、硅等非碳負(fù)極材料嵌鋰時(shí)巨大體積膨脹問(wèn)題的主要手段，對(duì)碳籠結(jié)構(gòu)的精確定制是新型高性能負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化必由之路。
楊全紅團(tuán)隊(duì)基于石墨烯界面組裝，發(fā)明了對(duì)致密多孔碳籠精確定制的硫模板技術(shù)，利用石墨烯凝膠的毛細(xì)蒸發(fā)致密化策略，成功解決了碳材料高密度和孔隙率“魚和熊掌不可兼得”的瓶頸問(wèn)題，成功得到了高密度的多孔碳材料。這種基于石墨烯組裝的碳籠結(jié)構(gòu)“量體裁衣”的設(shè)計(jì)思想可以拓展為普適化的下一代高能鋰離子電池和鋰硫電池、鋰空氣電池等電極材料的構(gòu)建策略，從而使儲(chǔ)能電池有望實(shí)現(xiàn)“小體積”“高容量”。
九、減少鋰金屬電池鋰晶枝生成
高能量密度、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全
美國(guó)·亞利桑那州立大學(xué)
對(duì)高密度儲(chǔ)能技術(shù)而言，鋰金屬電池是最具前景的電池產(chǎn)品之一。美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的研究人員將3D聚二甲基硅氧烷層或硅樹脂層用作鋰金屬陽(yáng)極的基材，用以緩解鋰晶枝的生成。該方法或?qū)⒀娱L(zhǎng)電池使用壽命，消除鋰離子電池及鋰空氣電池的安全風(fēng)險(xiǎn)。
該研究的內(nèi)容包括：向電池陽(yáng)極下方新增一層PDMS，以大幅減少鋰晶枝增長(zhǎng)，這與鋰金屬內(nèi)部的累計(jì)應(yīng)力有直接關(guān)聯(lián)性，而褶皺狀的PDMS基材對(duì)于緩解應(yīng)力將起到積極作用。另外，利用PDMS基材多面性立體結(jié)構(gòu)，可以延長(zhǎng)鋰金屬電池的使用壽命，同時(shí)維持其高能量密度。
十、鋰硫電池電極新材料
高容量、低重量
韓國(guó)·科學(xué)技術(shù)院
近期，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院開發(fā)了一種全新的鋰硫電池電極材料，可以抓取碳素纖維之間的硫，這類似于毛細(xì)管對(duì)水的吸收現(xiàn)象。這種鋰硫電池具有低重量和高容量的優(yōu)點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)商用化。
從理論上講，鋰硫電池與鋰離子電池相比，能量密度高出了約6倍以上。不過(guò)，硫的電導(dǎo)率較低，在充電和放電的過(guò)程中也會(huì)發(fā)生體積變化，鋰的多硫化物中間相作為電解質(zhì)熔化而排出，這阻礙了鋰硫電池的商用化。
為了克服現(xiàn)有碳材料的缺點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)電噴射制作出大量的一維形態(tài)的碳纖維，固體硫粉末被泥漿打濕后干燥，從而開發(fā)出接觸電阻大幅減少的硫碳電極。
與現(xiàn)有的電極制造方式完全不同，在金屬蓄電體上涂上電極物質(zhì)，電極的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，此舉將有利于拓寬未來(lái)鋰離子電池的研究范圍。這項(xiàng)研究成果標(biāo)志著高容量鋰硫電池的開發(fā)又邁進(jìn)了一步，未來(lái)還有望應(yīng)用于電動(dòng)汽車和無(wú)人飛機(jī)。
