鉅大LARGE | 點擊量：6061次 | 2018年06月03日
淺談石墨烯等新概念電池的利弊
自從純電動汽車成為新能源汽車市場焦點之后，其供應鏈上游的動力電池在研發速度上也在不斷加快。續駛能力3000公里且零排放的鋁空氣電池、一次加注只需3分鐘的氫燃料電池、創新電池結構的半固態鋰電池、耐低溫降污染的晶膠電池等，都是新概念電池研發端的“新寵”。就連專注電子產品的蘋果公司，也試圖在純電動汽車的電池研發方面分一杯羹……在業界看來，似乎傳統電池面臨“革命”的時刻，已隨時可期。
然而，前沿新技術的不斷推陳出新，距離推動整個電池行業的革命依舊需要時間的積累。
■新概念新在何處
目前，電池續駛里程不足一直掣肘著電動汽車的發展。各電池廠商紛紛在續駛里程、充電時間、電池成本上大做文章，希望取得巨大飛躍。
淺談石墨烯等新概念電池的利弊鋰電池恐“獨木難支”
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
作為“反鋰電先鋒”的金屬空氣電池，以其能量密度大、續駛能力強，成為時下業內討論的焦點之一。鋁空氣電池放電原理是電池中的金屬鋁與空氣中的氧氣和添加的水發生化學反應，使鋁變成氧化鋁，從而釋放出能量。
這彌補了傳統鋰電池在能量密度上的缺陷。當前，即便是續駛能力最長的特斯拉，其最高續駛里程只能達到500公里，而據了解，鋁空氣電池的理論能量密度為8100Wh/Kg，美國鋁業公司與以色列Phinergy公司于去年展示了最新的鋁空氣電池技術，電池重量約為100公斤，儲存了可行駛3000公里的足夠電量，是特斯拉續駛里程的6倍。
除上述在金屬材料上下工夫的電池廠商，另一方則將目光投注在燃料電池上：一次燃料加注僅3分鐘，續駛里程超過500公里，百公里加速10秒……隨著豐田Mirai氫燃料電池車在今年上海車展亮相后，氫燃料電池技術成為熱議焦點，甚至被認為是汽油燃料的理想替代物。
該電池的工作原理是氫氧二氣經過離子膜發生化學反應釋放電能。燃料電池的化學能理論轉換效率可達100%，實際效率約為70%，是普通內燃機2倍多。同時，其化學反應的產物只有水沒有二氧化碳。
事實上，在日本政府頻繁的支持政策下，豐田、本田公司在氫燃料電池領域已研究了30多年。2014年11月18日，豐田公司把氫燃料電池汽車推向了市場，在業界看來，這“標志著該電池商業化走出了第一步。”
■單一優勢恐“獨木難支”
經過二十幾年的發展，鋰離子電池暴露出越來越多的弊端，同樣，其他的新型電池也面臨著各自的硬傷。
盡管金屬空氣電池能量密度較高，但其釋放的功率極低。以鋅空氣電池為例，由于比功率不足，使用鋅空氣電池的汽車最高時速約為60公里，完成加速和爬坡等動作比較吃力。為了完成電動車正常的駕駛，電動車還必須通過傳統的鋰電池加以驅動，這決定了空氣電池只能以備用電池的身份，出現在電動車上。“在單位時間內，鋁的電子產生速度較慢，這是鋁空氣電池功率較低的原因。這一缺點是由鋁本身的特點決定的，很難克服。”一位業內人士分析時說。正因如此，空氣電池目前僅限于備用電池、特種特種、救災等場合使用，范圍極為有限。
在日本大力推廣的氫燃料電池，因其易發生爆炸的特點，在生產、運輸、儲存等環節存在極大安全隱患，科技部863項目新能源汽車專家組成員肖成偉說：“雖然燃料電池技術已很成熟，但加氫站的建設成本極高，目前離真正的產業化有相當長的距離，這是造成其無法推廣的主因。”“除非能找到新的快速制氫的方法，否則現場制備氫氣的模式是完全不可行的。”一位從事新能源研究的專業人士表示，“從當前技術發展的趨勢來看，在快速制氫上還沒有真正可以商業化方面的新進展。”
中國科學院物理研究所研究員黃學杰認為，日本政府及企業大力推廣氫燃料電池，并不意味著短時間內氫能源動力汽車能夠得到很大的推廣，更應該看做是企業及政府在其技術發展水平認知下的一種提前布局，同時也是應對未來能源安全問題的提前規劃。
■新概念電池難改行業格局
對于新型電池火熱的現狀，一位業內人士評價道：“鋰電池在性能上的很多不足留給了人們想象空間。另一方面，由于鋰電行業的發展太慢，國內一些企業對鋰電池信心不足，這些都是新型電池火爆的原因。”
當下，很多新的電池技術都聲稱進入了產業化運作階段，但中國北方車輛研究所動力電池實驗室主任王子東認為，電池是否實用，全面而客觀的數據指標才是最有力的憑據，單獨幾項亮眼的實驗室數據無法代表產業化能力。根據經驗，一種適用電池的新材料從開發到產業化，一般需18至20年的漫長周期。目前除日本氫燃料電池在小規模推廣外，尚未看到太多實際性產品，更沒有大規模的推廣，可謂“雷聲大，雨點小”。
肖成偉認為：“從科學研究的角度講，我們當然希望從電池的能量密度、循環壽命、開發成本各角度去破解難題。但同時也需要將一些技術進行小規模應用示范，以及基礎性、前瞻性研究，否則談何技術進步。所以新概念層出不窮，并不意味著如今的鋰電池市場已‘成熟’到沒有希望了。”
各類新概念電池利弊談
■液流電池
在去年日內瓦車展上，一款名為Quante-Sportlimousine的概念車受到廣泛關注。該車的核心在于所謂的“液流電池”技術NanoFlowcell系統。
液流電池具有高效、高能量密度、無污染的優點，原理是將電化學蓄電池以及燃料電池的各方面結合起來。液體電解質存在于兩個電池倉中并在電池中流通。系統中心有一層隔膜將兩個電解質分隔，但仍能容許電荷流通，從而產生動力。
據悉，概念新車的最高時速為380公里，百公里加速僅2.8秒，一次充電能跑400~600公里，已獲準在歐洲上路。
■半固態鋰電池
其原理與現有鋰離子電池設計類似，電極單元是細小的鋰化合物粒子與液體電解液、導電添加劑混合形成的泥漿，電池使用帶正負電的泥漿。兩種泥漿分別通過鋁集電器和銅集電器收集電子，正負極室之間有一個能傳遞離子、防止電子傳遞的隔膜。電池的充放電原理和鋰離子電池一樣，通過鋰離子在正極室與負極室穿梭通過隔膜，電子通過外電路傳輸完成。
中國科學院物理研究所研究員李泓認為，現有的鋰離子電池采用多層薄膜電極設計，而半固態鋰電池采用厚電極，在結構設計上得到了簡化，減少了集流體、隔膜所占的電池總重量的比例，在采用正負極材料相同的情況下，可以提高電池的能量密度，工藝成本有望降低。但同時，由于采用厚電極，單層隔膜，無法實現快速充放電，也意味著在動力上沒有優勢。
在推廣上，半固態鋰離子電池的生產工藝與現有鋰離子電池的工藝不完全兼容，生產線設計、品質控制、測試標準、量產工藝等都得從頭摸索，防止內部短路的隔膜等關鍵材料還需突破。
■石墨烯
石墨烯是目前已知材料中最薄的一種，僅有一個碳原子厚，也是目前導熱效果最好的熱導體。
該材料的電池理論重量是傳統鋰離子電池的一半，厚度也會大幅縮小，而儲電量高出數倍，按照美國倫斯勒理工學院研究人員估算，石墨烯陽極材料比鋰離子電池中常用的石墨陽極充放電速度要快10倍，據報道，如用于電動汽車，8分鐘就能完成一次充電，續駛里程達1000公里。
石墨烯已被各大工業國列為重要材料進行深度開發，但相關生產技術直到2010年才相對成熟，至今還處在初級應用階段。尤其是能讓電池體積和重量大幅縮小的單層石墨烯材料，其成品率很低，生產成本則偏高，或許更現實的做法是利用石墨烯的特性提升現有鋰電池性能。
上一篇：鉛酸電池不敵鋰電池
下一篇：儲能領域對鋰電池的需求較大
