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目前i-Phone 7上基于4.35V高压LCO的软包电池能量密度已经达到了260 Wh/kg,随着更高电压LCO技术和更高镍含量NMC三元材料的日益成熟,未来采用更高压或者更高镍含量的层状正极材料搭配高容量Si/C复合负极或者合金负极材料,小型3C锂电的能量密度有可能进一步提升到280-300 Wh/Kg的水平。
而要想进一步提高锂电的比能量,那么就必须打破嵌入反应机理的束缚, 跟其它常规化学电源一样采用异相氧化还原机理,也就是采用金属锂做负极。但是锂枝晶容易导致短路以及枝晶与电解质的强烈反应,使问题又回到了锂离子电池的起始点。
其实,锂离子电池采用石墨负极的根本原因,正是因为石墨嵌锂化合物降低了金属锂的高活性。所以,基于嵌入反应的锂离子电池其实是不得已的折衷办法!
近两年,国际上关于金属锂负极的研究掀起了一阵小高潮,比如最近炒作的很热门的美国Solid Energy。其实从基础研究的角度而言是很好理解的,正如笔者前面提到的,正极材料的容量已经没有多少提高的余地,电解质无助于能量密度的提升,那么剩下的也就只能从负极这块着手了,使用金属锂负极的电池自然是“终极锂电池”。
理论上,采用无机固体电解质、聚合物电解质或者液态电解液添加特殊添加剂都有可能缓解锂枝晶的形成,但是在电芯的实际生产上会面临诸多技术困难。正如笔者在安全性章节里讨论过的,以金属锂做负极的“终极锂电池”能否实现,安全性问题将是第一决定性因素。
笔者个人认为,基于无机固体电解质的全固态锂离子电池(All-solid-state Li-ion battery)才有可能让金属锂负极的实际应用成为可能。日本Toyota(丰田汽车)是国际上全固态电池的领头羊,目前其发展出的原型电池在技术水平上遥遥领先其它企业和科研机构,而Toyota在该领域已经有近20年的研发积累。
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,动力电池需要尽量维持在较低的电压(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也许不适合。
目前LG的大型三元材料动力单体电池的能量密度已经超过180 Wh/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超过200 Wh/Kg的水平。
但是,要在满足安全性还有循环性温度性能以及成本等多方面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(Tesla Model S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大可能超过200 Wh/Kg的水平。
后锂电时代(Beyond LIB)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。
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