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鋰硫電池可達1500次完整循環充放電但壽命有限

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2023年05月26日  

之前我們報道了麻省理工的科研人員,利用一種叫做M13的病毒來新增鋰離子-空氣電池的反應面積,增大電池的能量密度,可讓電動汽車續航提升至550公里。現在,美國伯克利國家實驗室提出了另外一種解決方法,能在現役的鋰離子電池基礎上新增兩倍的能量密度,同時在一定程度上提升電池壽命。


伯克利實驗室所提出的解決方法是,在鋰離子電池中,用一種硫氧化石墨烯(S-GO)制成的納米復合材料作為陰極反應物。使其放電效率高達6C(1C=1.675A/g硫元素),充電效率高達3C,同時還能確保較高的能量密度(6C時可達800mA·h/g硫)。此外,電池的完整循環充放電次數能超過1500次,單次衰退率只有0.039%。這可能是目前為止,鋰離子-硫電池所能實現的最好水平。


1500次完整循環充放電如何理解?大家可以想一下,假如一臺電動汽車每天都進行一次完整的從0至100%的充放電循環的話,那么1500次足夠支持4年左右。也就說,這臺電動汽車的電池在使用4年后就必須更換。而常用的鋰離子電池中,鈷酸鋰的循環次數可達500次左右,而磷酸鋰也只能達到1000次左右。也就是說,隨著充放電次數的不斷新增,鋰離子電池的容量在不斷“衰退”。這其實跟使用次數沒有太大關系,造成衰退的重要原因是溫度。


所以,在日常使用電動汽車的時候,電池的電量并不會充滿100%;多是保持在40%-60%這個水平上。一是防止完整的充放電縮減壽命,二是在各種溫度下降低衰退率,三就是為電動汽車的能量制動回收留下空間。所以,像是ModelS這類采用鈷酸鋰離子電池的車型,在設計之初就考慮到了電池組的拆卸情形。


據悉,這種新型的鋰離子-硫電池的單電池結構(Cell-level),能量密度可以達到500W·h/kg,比當前的鋰離子電池的密度(~200W·h/kg)高出兩倍多。即便在經過1500多次完整充放電后,其電量容量依然可以保持較高水平(740mA·h/g硫)。假如要實現目前汽油車輛300英里(約480公里)的續航,那么單電池結構的能量密度就必須要到達350至400W·h/kg。所以這種新型Li/S電池的能量密度理論上完全可以滿足這一需求。


不過,伯克利實驗室的新構想依然面對著巨大的挑戰,那就是電池的壽命。盡管能實現1500次的完整循環充放電,但從實用性和經濟性的角度講,這還遠遠不夠。原因是,在放電過程中,鋰離子的多硫化物容易從陰極消融,與鋰陽極發生化學反應生成Li2S,從而形成一個反應屏障。這就是為何在經過幾次充放電后,電池的容量開始減少。


目前在電動汽車動力鋰離子電池領域,鋰離子電池已經取代了傳統的鎳氫電池成為市場新寵,它的能量密度高、輸出功率大,并且沖、放電速度快。我們常見的,無論是鈷酸鋰離子電池還是磷酸鐵鋰離子電池,都是鋰離子電池的一種。盡管如此,當前流行的鋰離子電池仍然存在幾大挑戰,如穩定性較差、容量易衰退,以及能量密度依然不及汽油燃料。


這些限制造成了電動汽車用車中所謂的“續航焦慮”(RangeAnxiety)。有關電動汽車的普及來說,這并不是個小問題。尤其是沒有汽油機作為備用動力的純電動汽車。之前ElonMusk駕駛ModelS橫跨美國,也是為了進一步打消市場對Tesla電動汽車的續航能力質疑。目前,伯克利國家實驗室正在尋求合作伙伴,來進一步解決Li/S電池的壽命問題。其中,我國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所也參與該技術的研究。


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