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锂电池再次进化 ,将超500公里是否属实?

来源:www.kmlidianchi.com 发布时间:2019年09月29日

  2018年12月27日报道,1次充电可行驶相当于东京至大阪的500公里的锂离子电池技术开发在日本正日趋活跃。积水化学工业的技术已经具备取得突破的头绪,云南锂电池批发,旭化成也已接近。均能采用现有的电极,预计到本世纪20年代前半期实现实用化。


  日本经济产业省将扶持充分发挥电池性能的技术开发。在世界范围内,转向纯电动汽车(EV)的趋势正在加速,如果作为课题的续航距离大幅延长,以锂离子电池为主角的时代或将继续持续。
  如果在完全充电状态下可行驶500公里,将匹敌汽油车的性能。日本经济产业省等认为这是纯电动汽车普及的条件之一,提出2030年达成的目标。纯电动汽车迅速普及的中国结束了对续航距离低于150公里的车型的补贴,增加了续航距离长的车型的补贴。
  锂离子电池于1991年商品化,被用于笔记本电脑和摄像机等。2009年被用于量产型纯电动汽车。完全充电可行驶的距离在200公里左右。一般认为2010年代初以当时的技术难以达到500公里,到2030年前后将被全固体电池等新一代电池取代。
  新一代电池的开发在世界范围内日趋活跃,但技术上的课题很多。另一方面,锂离子电池的技术开发取得进展,500公里的突破日趋具有现实可能性。研究人员等预测“锂离子电池还能继续使用10年左右”。
  锂离子电池通过锂离子在正负电极间移动来产生电力和进行充电。要增加电池的容量,有必要增加电极中存储的离子,或减少内部电阻,使电子通过更加容易。
  积水化学开发的是用于正极的技术,在加入的炭材料的结构上下功夫,使电子流动更容易。扩大正极之中电子通过的通道,电子流动更加顺畅,达到以往的10倍左右。除了大量获得发生的电流之外,电极不易损坏,耐久性得到提高。
  将使正极加厚,以便更多取得锂离子。在实验中,电池的容量提高了3成左右。可将续航距离从现在的400公里提高至超过500公里的水平。计划到2021年作为零部件加以销售。
   旭化成则是通过向负极混入氧化硅,将容量提高2成左右。向采用碳类材料的负极中加入硅系物质,使得存储锂离子更加容易,能增加容量。但是,具有在捕捉一部分离子的情况下无法释放的问题。通过在负极中预先注入离子,让被捕捉的部分不产生活动,锂离子的取得和释放变得顺利。旭化成力争在数年后实现实用化。
  此外,采用此前不存在的电极材料的研究也在推进。横滨国立大学的薮内直明教授与松下合作,开发了混入氟的正极。不仅是金属,氧气也能用于电极内的电子流动,容量达到2倍。住友化学推进采用铝的负极的开发,提出将容量提高至2.5倍的目标。
   日本经济产业省将自2019年度起,开发使完全用完锂离子电池电量成为可能的技术。为了防止起火事故等,电池以低于上限的容量使用。将扶持能准确检测剩余电量的传感器的开发,增加可使用量。在2019年度预算中列入2亿5千万日元,力争到2023年实现实用化。然而,通过提高Ni含量提高正极材料的容量方法并不能够彻底解决正极材料容量偏低的问题,这主要是因为随着Ni含量的增加,会导致高Ni材料的稳定性变差:一方面高氧化性的Ni4+会引起正极/电解液界面的稳定性降低,引起电解液的氧化分解;另一方面Ni含量的提高还会造成材料自身的结构稳定性变差,导致材料的循环性能加速衰降,这些因素都限制了三元材料中的Ni继续提高。

  由于上述因素的限制,目前高镍材料可逆容量的提升已经逐渐进入了一个瓶颈期,那么继续提升正极材料可逆容量的路在何方呢?要解答这个问题我们就首先需要了解锂离子电池的工作原理,我们知道在锂离子电池充电的过程中Li+会从正极脱出,经过电解液扩散后到达负极表面,嵌入到石墨负极之中,为了维持电荷的中性环境,因此正极还要给出一个电子,经过外电路到达负极的表面,而如何给出这个电子恰恰是影响正极材料容量的关键。通常正极材料中的过渡金属元素对外层电子的束缚较弱,因此更容易给出电子,例如NCM材料中的Ni元素从Ni3+转变为Ni4+就是由于充电的过程中Ni元素提供了一个电子,过渡金属元素提供电子的好处是可逆性强,因此材料的循环性能通常也比较优良。但是,过渡金属元素提供电子也存在一个严重短板——过渡金属元素原子序数通常比较大,因此也就导致正极材料的比容量通常比较低。

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