高能動力電池是怎樣煉成的

本報記者 張佳星

1月7日，中國科學院院士歐陽明高在學術會議上表示，我國400瓦時/公斤的單體電池有望在2025年實現產業化，這一時間表引起行業熱議，目前特斯拉最新動力電池20700高性能鈷酸鋰電池能量為333瓦時/公斤，這意味著我國在動力電池領域有望從“跟跑”變“領跑”。

被歐陽明高點名的科研項目獲得了國家重點研發計劃的支持，全名為“高比能動力電池的關鍵技術和相關基礎科學問題研究”，該研究基于研究團隊研制出的高容量富鋰錳基的正極材料，汽車動力電池的儲能將有可能提高至400瓦時/公斤。

近年來，在國家政策的大力扶持下，我國新能源汽車得到迅速普及，但“不敢去遠郊區縣”的“梗”至今難以理順。打破500公里的單次行程極限將大大推動電動汽車的推廣，然而汽車承載有限，如何在受限的體積內盡量多地儲備電能成為科研攻關的關鍵目標。

該項目負責人、北京大學教授夏定國表示：“要進一步提高鋰離子電池的能量密度，正極材料的比容量是關鍵。”據夏定國介紹，針對正極材料的比容量，研究團隊在前期工作基礎上，深刻理解富鋰材料穩定性機制以及陰離子氧化還原的產生機理，通過調控陰離子氧化還原機制來實現富鋰材料性能的優化。

也就是說，團隊首先遇到的問題是：陰離子氧化還原能力受什么“左右”？揭示這一規律將引導團隊接近并找到性能優良的電極。團隊還發現，在物質內部原子之間的幾何結構會影響電子的結構，從而影響陰離子氧化還原的能力，研究明確了結構和效能的關系，并希望通過結構的設計改善電極材料的電化學性能。

“提高正極材料中的含鋰量，讓更多的陰離子穩定參與氧化還原反應是一個重要途徑。”夏定國說，研制出高容量富鋰正極材料，為進一步提高動力電池的能量密度提供了可能。項目組除制備出了一種高容量的富鋰正極材料和兩種高容量、高穩定富鋰材料—碳復合材料外，還制備出了高容量的鋰電池負極材料。

要讓電池變成“肌肉型男”，在獲得合理的正負極材料之余，還需要設計出可行的加工工藝。例如，富鋰化合物在電極中需要很好地分散開來，既保持在體系中60%以上的含量，又不凝結為塊狀。分散越均勻，可逆性越好，充放電效率越好。

目前該電池還需進一步完善，夏定國介紹，仍存在“枝晶鋰”制約新體系電池的進步及電池安全性這兩個關鍵問題。相關實驗顯示，10—50次循環使用之后，電壓衰減明顯，電極也不起作用了。

“枝晶鋰”是鋰離子電池采用液態電解質所特有的，鋰離子還原結晶成樹枝樣，并不斷生長，到一定程度可能會刺破隔膜，科學家目前正在從兩個角度尋求突破。一是包被涂層，二是研究固體電解質。

夏定國強調，“高能量密度鋰離子動力電池的發展有待于電極材料、電解液及高安全性途徑的發展，更有待于新的分析方法及電池制備技術進步”。

除了提高鋰離子電池的能量密度使其達到400瓦時/公斤外，項目組還將著力全新的鋰硫電池和鋰空氣電池的研究，它們的能量密度有望達到500瓦時/公斤。中國工程院院士陳立泉表示，鋰空氣電池是動力電池的發展方向之一，“現在大力發展的氫氧燃料電池，必須用金屬罐子保障氫氣使用時的安全，而鋰空氣電池(負極為空氣中的氧氣)只要一個榨菜袋子就可以了。從實用性、成本上來講鋰空氣電池也應該發展”。

從探索改進電極及電池結構的設計方法、建立電池極化模型和仿真技術等方面入手，汽車動力電池的“瘦身健體”之旅仍在不斷推進。