中科院院士孙世刚:现有锂离子电池的能量密度已接近理论极限

森宁 来源:澎湃新闻 编辑:jianping 锂离子电池

尽管蓬勃发展甚至引领世界,我国锂电产业的发展仍需立足技术创新,居安思危。

11月9日,在中国(遂宁)国际锂电产业大会暨新能源汽车及动力电池国际交流会上,中国科学院院士、厦门大学教授孙世刚表示,我国锂电产业现有的发展面临着资源、能量、安全、使用环境等四方面重大挑战。

首先是资源的消耗。据孙世刚介绍,目前,生产1KW锂离子电池要使用用0.5kg锂,根据美国地质勘探局最新的调查数据,世界金属锂的储量为1350万吨左右(锂资源储量总计约3950万吨),仅可用100多年。我国锂资源在全球排第六,资源以盐湖为主,锂含量低,镁锂比高,提取难度大,70%的锂依赖进口,而预计到2025年我国锂电产能将达到约3900GWh,预计需要约39万吨锂金属。

其次是现有锂离子电池能量密度已经接近理论极限。“电池的能量密度与电池的原理有关,比如锂离子电池的能量密度跟反应电子束、活性物质的重量和密度都有关系,”孙世刚说,“目前的锂离子电池的能量密度是接近了天花板。”

据了解,目前主流的磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg以下,三元锂电池的能量密度在200-300Wh/kg之间。锂离子电池的能量密度远不能满足重大发展的需求,限制了多场景的应用。要提高无人机等装备的航速和航程,都需要大幅度提高电池的能量和功率密度。

值得一提的是,就在上月,美国国家航空航天局(NASA)宣布其研发成功了硫硒纯固态电池,电解质材料利用廉价并易获得的硫,不含液体,电池能量密度达到了500Wh/kg,是目前特斯拉4680圆柱形锂离子电池的约两倍。NASA宣布,该技术未来将在电动飞机上推广。 ·

孙世刚指出,现有锂离子电池面对的挑战还包括安全事故多发。锂离子电池容易发生电池热失控,通常的原因包括过充诱发电池正极材料产气使得电池胀裂,快充导致电池负极析锂诱发短路,以及快充快速升温从而使电解质液体燃烧。

最后是电池使用环境受限,在低温环境中,锂离子电池的电解液黏度会变大,离子迁移速度变慢,充放电能量急剧衰减。高温状态下,电池正负极界面膜不稳定,导致材料结构破坏,产气易爆。而在深空、深海等应用场景,都需要电池具有更高更宽的温度范围。

因此,针对资源、能量、安全、极端环境的四大挑战,孙世刚表示,从技术创新的角度,需要在材料、界面、传输、系统等四个层面予以解决。

首先提升电池体系的能量密度,包括构建高容量高电压正极,高容量低电压负极。正极材料的选择上,将由钴酸锂到磷酸铁锂,到高镍三元材料,最终往硫、氧元素方向发展。在负极材料的选择上,由现有的石墨,到硅,最终往锂金属发展。不过,使用锂金属负极和高电压正极也会带来安全性的问题。

“以锂金属负极来说,锂的理论比容量很高,能够达到3000mAh/g,但是使用中容易形成锂枝晶刺穿电池隔膜,形成电池短路。而正极的高压高比容量材料不稳定,高电压电极材料结构容易破坏,同时造成电解液分解。

孙世刚说,对于锂金属,不光是基础研究领域,业界也做了很多试验性尝试,例如构筑人工SEI膜,构筑三维结构金属负极,调控锂金属电极和电解液的界面,从而提高电池的循环寿命。“终极目标是加入添加剂,调控材料生长的过程,使它不长成枝晶,但这方面的研发非常难,需要大力发展下去。”而在正极材料方面,则需要通过调控层状正极材料的表面结构,强化锂离子传输过程,从而显著提升锂离子电池的能量密度和功率密度。

而为了进一步地提高电池安全性能,目前的研究还包括强化锂离子电池中的“三传”过程,包括强化锂离子传输通道,维持材料在微观尺度下的结构稳定;强化电子传输通道,维持电极和电池的导电网络;强化电池热传出,抑制电池热失控。

在下一代锂电池的路线上,孙世刚介绍了锂硫电池,锂-空气电池、锂-氟碳电池等技术,而在对下一代非锂电池的展望中,钠离子电池也被孙世刚看好。钠在地球上储量排在第六位,具有与锂相似的化学性质,但由于钠原子半径更大,电化学势比较低,钠离子电池能量密度上与锂离子电池相比有先天劣势。钠离子电池的发展需要在储钠新材料、新型电解液方面有所突破。

“目前一些传统的负极硬碳材料已经实现产业化,正极的层状氧化物、普鲁士蓝材料也进入市场。但钠离子电池要进一步提高性能,降低成本,要能够像锂离子电池一样实现大规模利用。”孙世刚说。
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