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持续攻关硕果累累
自1990年Sony推出锂离子电池开始,已经有多种正极材料应用于商用体系,主要可以分为磷酸盐、层状氧化物和尖晶石氧化物三类。其中,层状氧化物的使用率普遍在50%~60%,具有较大的提升空间,将成为下一代锂电池材料革命的市场主导。
“寻找合适的材料比找对象难多了,不是光看外表就行了,还要解剖开来深入研究。”王德宇笑称。高镍材料就是王德宇反复研究后找到的材料。
高镍材料是一种层状氧化物,但在使用时与电解液副反应较大,容易造成电池胀气,需要严格控制湿度。如能够改善界面稳定性解决胀气问题,其锂离子电池能量密度将会明显提高。
王德宇将主要精力集中于如何改善高镍材料对水分的敏感性、提高界面稳定性等问题。“在高镍表面进行修饰,形成高稳定性保护结构,是提高高镍材料稳定性的核心。”他说。
在解决高镍材料的稳定性后,王德宇还致力于提高其循环性能和放电容量。他和团队开发出一种新型梯度结构的正极材料,创造性地采用界面缓冲层结构,大幅度提高了高镍材料的循环性能,放电容量比市场主流产品提高了20%,已经申请了三项专利。
在负极材料上,钛酸锂是最有希望构筑长寿命电池的负极材料。但钛酸锂电池在高温下会发生严重气胀现象,限制了这类电池的商业应用,目前仅有几家国际顶级企业解决了这个难题。
王德宇在深入研究电极/电解液界面反应机理之后,确定了防胀气电解液的最终配方,经东莞新能源生产线验证,电池的胀气体积由原来大于150%(商用电解液)降至小于15%(自主开发电解液),满足商用钛酸锂电池的要求,成为国内首个掌握此项技术的机构。
锂空气电池成新方向
“科研的乐趣,很多时候就是你不知道下一秒会发生什么?”王德宇说,有不少科研成果,是苦苦研究而不得,但一个小小的“意外”却又实现了突破,可谓“柳暗花明又一村”。
王德宇团队的一个研发人员在清洗研究锂空气电池的仪器时,使用了较多的清洁液且未擦拭干净,没想到这一无心之失,放大了锂空气电池的功率。
“我们意外发现,低功率的储能电池变成高功率的储能电池,足足提高了一个数量级,达10倍以上。”王德宇说,“不过离应用还有距离,没有找到确切的、有说服力的证据和机理。”
王德宇说,锂空气电池的储能技术完全不同,用金属锂做负极,正极一端直接与氧气反应,具有击败锂离子电池的潜力。理论上讲,该电池储存同等能量所需材料仅为其他电池的一半,其重量也可减半,在电动车行业具有极大优势。
然而,锂空气电池想要在成本和使用寿命上比肩传统的锂离子电池,达到“稳定生产期”,还有很长的路要走。
“锂空气电池是理论能量密度最高的电化学储能装置,世界范围内对锂空气电池的研究刚刚开始。”王德宇说,希望通过他们的研究能推动锂空气电池的发展。
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