美國提出新方案提升鋰離子電池能量密度
日期：2024-11-25 07:28:08 作者：宏力精密鋼管 閱讀數：322據Battery.com.cn消息，之前，麻省理工的科研人員，利用一種叫做M13的病毒來增加鋰離子-空氣電池的反應面積，增大電池的能量密度，可讓電動汽車續航提升至550公里。現在，美國伯克利國家實驗室提出了另外一種解決方案，能在現役的鋰離子電池基礎上增加兩倍的能量密度，同時在一定程度上提升電池壽命。
伯克利實驗室所提出的解決方案是，在鋰離子電池中，用一種硫氧化石墨烯(S-GO)制成的納米復合材料作為陰極反應物。使其放電效率高達6C(1C = 1.675 A/g硫元素)，充電效率高達3C，同時還能確保較高的能量密度(6C時可達800 mA·h/g硫)。此外，電池的完整循環充放電次數能超過1500次，單次衰退率只有0.039%。這可能是目前為止，鋰離子-硫電池所能實現的最好水平。
1500次完整循環充放電如何理解?大家可以想一下，如果一臺電動汽車每天都進行一次完整的從0至100%的充放電循環的話，那么1500次足夠支持4年左右。也就說，這臺電動汽車的電池在使用4年后就必須更換。而常用的鋰電池中，鈷酸鋰的循環次數可達500次左右，而磷酸鋰也只能達到1000次左右。也就是說，隨著充放電次數的不斷增加，鋰離子電池的容量在不斷“衰退”。這其實跟使用次數沒有太大關系，造成衰退的主要原因是溫度。
據悉，這種新型的鋰離子-硫電池的單電池結構(Cell-level)，能量密度可以達到500 W·h/kg，比當前的鋰離子電池的密度(~200 W·h/kg)高出兩倍多。即便在經過1500多次完整充放電后，其電量容量依然可以保持較高水平(740 mA·h/g硫)。如果要實現目前汽油車輛300英里(約480公里)的續航，那么單電池結構的能量密度就必須要到達350至400W·h/kg。所以這種新型Li/S電池的能量密度理論上完全可以滿足這一需求。
不過，伯克利實驗室的新構想依然面臨著巨大的挑戰，那就是電池的壽命。盡管能實現1500次的完整循環充放電，但從實用性和經濟性的角度講，這還遠遠不夠。原因是，在放電過程中，鋰離子的多硫化物容易從陰極消融，與鋰陽極發生化學反應生成Li2S，從而形成一個反應屏障。這就是為什么在經過幾次充放電后，電池的容量開始減少。
目前在電動汽車動力電池領域，鋰離子電池已經取代了傳統的鎳氫電池成為市場新寵，它的能量密度高、輸出功率大，并且沖、放電速度快。我們常見的，無論是鈷酸鋰電池還是磷酸鐵鋰電池，都是鋰離子電池的一種。盡管如此，當前流行的鋰離子電池仍然存在幾大挑戰，如穩定性較差、容量易衰退，以及能量密度依然不及汽油燃料。
這些限制造成了電動汽車用車中所謂的“續航焦慮”(Range Anxiety)。對于電動汽車的普及來說，這并不是個小問題。尤其是沒有汽油機作為備用動力的純電動汽車。之前Elon Musk駕駛Model S橫跨美國，也是為了進一步打消市場對Tesla電動汽車的續航能力質疑。目前，伯克利國家實驗室正在尋求合作伙伴，來進一步解決Li/S電池的壽命問題。其中，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所也參與該技術的研究。