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但是大型动力电池由于诸多技术指标的严格限制,在电极材料的选择、体系搭配、极片工艺和电芯结构设计等方面跟3C小电池有很大不同。这些因素使得即便是相同正负极搭配体系,大型动力电池的能量密度要比小型容量型电池低不少。比如,基于安全性还有循环性等多方面因素的考量,动力电池必须维持在较低的电压(4.2/4.3V)水平,也就是说3C小电池的高电压策略在动力电池上是不适合的。目前LG的大型三元材料动力单体电池的能量密度已经做到了180Wh/Kg的水平。笔者个人认为在技术上仍然有进一步提升的空间,未来单体三元动力电池应该可以达到甚至超过200Wh/Kg的水平。但是要在满足安全性还有循环性等多方面技术要求的前提下再进一步提升单体电池的能量密度,在技术上就非常困难了。电芯成组以后能量密度一般会损失20%左右(TeslaModelS损失高达45%),也就是说锂离子动力电池系统的能量密度几乎不可能超过200Wh/Kg的水平。
后锂电时代(BeyondLIB)有两个耀眼的“新星”,它们就是Li-S和Li-Air电池。其实它们都老掉牙的体系,只是近些年又被重新包装热了起来。如果我们仔细分析这两个电化学体系就会发现,它们的最核心问题仍然是笔者前面讨论过的金属锂负极问题。对S正极的研究衍生出了两个方向,一个是高温的Na-S电池,日本NGK已经有数十年的产业化经验。另外一个方向就是目前研究得比较热门的常温Li-S电池。Li-S电池的技术难题很多,单纯就电极材料的研究而言S/C复合正极已经不是主要问题,目前的瓶颈主要集中在电解液和负极两个方面。如果上升到全电池和电芯生产层面,则工程技术难度相当大,还远未达到产业化要求。国际上Li-S电池做得比较好的是美国Polyplus、SionPower和德国BASF,目前单体电芯的能量密度可以达到400Wh/kg以上的水平,但循环性还远不能满足实用要求,并且自放电比较严重。Li-S电池必须解决金属锂负极问题,否则Li-S电池就基本上丧失了高能的优势。再加上Li-S电池独有的“多硫离子穿梭效应”,笔者并不认为Li-S电池在电动汽车上会有实际应用的可能性,未来Li-S电池在军用和野外这样一些小众的特殊领域可能会有一定的应用前景。
Li-Air电池的思路和出发点和锂硫并不一样,它属于空气电池的范畴。有一定电化学功底的读者应该明白,要想进一步较大幅度提高现有电化学体系的能量密度,就必须考虑利用空气中的氧气作为氧化剂,因为理论上氧气并不计入电极活性物质重量。按照这个思路就发展出了各种金属-空气电池,相对比较成熟的是一次锌空电池,而目前研究得最热门的是二次Li-Air电池。但是在笔者个人看来,金属-空气电池特别是二次金属-空气电池,实际上是把二次电池和燃料电池两者的缺点有机地结合在一起,并且放大了缺点。二次Li-Air电池涉及到的技术难题比Li-S电池更多更复杂,由于篇幅的限制笔者这里不再赘述。
笔者个人认为,锂电的下一个突破点可能在于全固态锂离子电池,而非当前炒作得很热门的Li-S和Li-Air电池。由于采用金属锂做负极,全固态锂离子电池的能量密度相比于当前的液态锂离子电池会有较大的提升,笔者估算全固态锂离子电池的实际能量密度可以接近350Wh/kg的水平。超长的循环性和良好的安全性则是全固态锂离子电池的另外两大优点。但是,由于固体电解质中离子传输的速度较慢,并且固体电解质和正负极材料界面的电阻很大,这两个基本特征决定了全固态电池的倍率性能必然是其短板。而当前的动力电池,哪怕是用于EV的容量型动力电池,1C充放也是最基本的倍率要求,就更不必说PHEV和HEV动力电池对倍率的要求了。因此笔者个人认为,全固态锂离子电池将来有可能在3C小型电子设备上获得应用,大型动力电池也许并不是其适用领域。根据当前国际上全固态锂离子电池的研究和发展状况(日本在该领域居于领先地位,而我国在全固态锂离子电池研究领域几乎是空白),笔者不认为在未来10年之内全固态锂离子电池有大规模商业化的可能性。
当然了,有读者可能会说这也未免太悲观了吧,比如近几年我们不是经常在NatureMaterials,NanaoLetters,AdvancedMaterials这几份高IF的杂志上看到有文章报道某种“新型电极材料”可以在数分钟甚至数秒之内完成充电,亦或是某种“新型电池体系”将电池容量或者能量密度提高多少倍吗?笔者个人认为,仅凭大学或者科研机构实验室里开发的电极材料或者模型电池的数据,就说“发现了能将EV续航距离扩大到500km甚至1000Km的技术”这种报道,这只能说是故弄玄虚。因为仅凭材料或者电极根本不能决定电池的能量密度或者电动车的续航距离,只有制造成能安装在EV上使用的电池系统才具备讨论的意义。在这个问题上,真理掌握在国际顶尖电池生产厂家手里,而不是大学教授的paper中。
笔者这里要强调的是,对于锂电而言这几个主要的技术指标实际上具有“跷跷板效应”,按起葫芦浮起瓢,某一个指标的提升往往是建立在牺牲其它指标基础之上的。对于大容量动力电池而言,提升能量密度往往意味着牺牲安全性、循环和倍率性能,这都是很好理解的。事实上国际电动汽车界普遍认为,动力电池能量密度的提升必须综合兼顾多方技术指标,从而达到电池系统综合性能的均衡和优化。
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