自從純電動汽車成為市場的焦點(diǎn)之后，關(guān)于超級電池的消息就不絕于耳。一次加注只需3分鐘的氫氧燃料電池，一次充電巡航里程高達(dá)1000公里的石墨烯電池，創(chuàng)新電池結(jié)構(gòu)的半固態(tài)鋰電池……似乎那些長期占據(jù)絕對市場份額的鉛酸電池、鋰離子電池等傳統(tǒng)電池，分分鐘就要被這些“家族新貴”革了命。

然而，事實(shí)真的如新聞里描述的那樣么？從電池研發(fā)的歷史上看，縱使電池行業(yè)發(fā)展了200多年，市場依然被技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最成熟的鉛酸電池和鋰離子電池占據(jù)；特別是近20年，電池每年能量密度穩(wěn)定提高3%至6%，已實(shí)屬不易。一種適用電池的新材料從開發(fā)到產(chǎn)業(yè)化，周期十分漫長，一般需耗時18至20年。

縱觀五花八門的“新型電池”，亮眼的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)無法代表產(chǎn)業(yè)化能力，單一指標(biāo)優(yōu)勢也不能以偏概全，雖然人們都急盼著能夠盡快發(fā)生電池革命，但可能還需要經(jīng)歷更長時間的等待。

半固態(tài)鋰電池：結(jié)構(gòu)上的改變

日前，美國麻省理工學(xué)院的研究人員蔣業(yè)明與一家名為24M的衍生公司合作，提出一種制造鋰離子電池的不同工藝：半固態(tài)鋰離子電池。該發(fā)明人宣稱不僅有望顯著降低生產(chǎn)成本，還能提高電池性能，使其更易于回收，這給純電動汽車性能的提升帶來了全新想象。消息一出，引發(fā)業(yè)界關(guān)注。

實(shí)際上，這種電池的原理并不復(fù)雜，與現(xiàn)有鋰離子電池設(shè)計(jì)類似。電極單元是細(xì)小的鋰化合物粒子與液體電解液、導(dǎo)電添加劑混合形成的泥漿，電池使用兩種泥漿，一種帶正電，一種帶負(fù)電。兩種泥漿分別通過鋁集電器和銅集電器收集電子，正極室和負(fù)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(fù)極室穿梭通過隔膜，電子通過外電路傳輸完成。

“相較于蔣業(yè)明之前發(fā)明的半固態(tài)液流電池，半固態(tài)鋰離子電池實(shí)際上更接近于鋰離子電池的設(shè)計(jì)。”中國科學(xué)院物理研究所研究員、電池專家李泓接受記者采訪時說，現(xiàn)有的鋰離子電池采用多層薄膜電極設(shè)計(jì)，而這種電池采用厚電極，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fù)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。

半固態(tài)鋰離子電池由于采用厚電極，單層隔膜，無法實(shí)現(xiàn)快速充放電，也意味著在動力上沒有優(yōu)勢，這是制約其在電動汽車上大規(guī)模推廣的一大缺陷。李泓建議說，并不是所有電池應(yīng)用都對高功率有要求，如果能夠找到合適的應(yīng)用場景，并且在某些技術(shù)指標(biāo)上確實(shí)有超越現(xiàn)有鋰離子電池的地方，那就可以逐漸拓寬它的應(yīng)用領(lǐng)域，比如靜態(tài)儲能領(lǐng)域。

但是任何電池的應(yīng)用都需要綜合技術(shù)指標(biāo)滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，目前，24M開發(fā)的半固態(tài)厚電極鋰離子電池技術(shù)還需要進(jìn)一步全面評價并與現(xiàn)有先進(jìn)的鋰離子電池技術(shù)作對比。這種電池目前推廣仍存在不少困難，半固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)工藝與現(xiàn)有鋰離子電池的工藝不完全兼容，生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、品質(zhì)控制、測試標(biāo)準(zhǔn)、量產(chǎn)工藝等都得從頭摸索，防止內(nèi)部短路的隔膜等關(guān)鍵材料還需突破。

“被市場所接受和在市場上做示范推廣是不一樣的，從目前的情況來看，該公司的這款電池在能量密度、功率密度、循環(huán)性、成本上都不占優(yōu)勢，真正走向市場還需要相當(dāng)長時間。”李泓說。

全固態(tài)鋰電池：可靠的安全衛(wèi)士

電動汽車自燃、手機(jī)電池爆炸……隨著鋰離子電池的大規(guī)模民用，關(guān)于電池安全事故的新聞不絕于耳，電池使用的安全問題也廣受各方關(guān)注。不久前，日本豐田汽車公司透露，計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商用化。該公司早在2010年就推出了更安全、壽命更長、功率輸出更優(yōu)的全固態(tài)電池原型器件，希望它能在未來取代現(xiàn)有鋰離子電池。

細(xì)心的消費(fèi)者會發(fā)現(xiàn)，所有的鋰離子電池都標(biāo)有詳細(xì)的注意事項(xiàng)，乘坐飛機(jī)也有嚴(yán)格的攜帶限制，這是因?yàn)殇囯x子電池內(nèi)帶有的有機(jī)溶劑具有可燃性，有一定安全隱患。如果要徹底保證電池安全，就要把可燃燒的有機(jī)溶劑用更安全的不能燃燒的固體電解質(zhì)替換掉。

“固態(tài)鋰電池有可能顯著提高電芯的安全性，是未來電池技術(shù)的重要方向。”李泓告訴記者，現(xiàn)有的鋰離子電池雖然安全性已經(jīng)很高，但仍會不斷出現(xiàn)安全事故。全固態(tài)鋰電池沒有電解液，不易燃燒和爆炸，不會產(chǎn)生液體泄漏和腐蝕，在高溫下壽命不受影響，不易變形，電壓允許范圍更高。

“更重要的是，現(xiàn)有應(yīng)用對電池能量密度要求越來越高，在現(xiàn)有技術(shù)下，通常電池容量越大越不安全。所以說，全固態(tài)電池是一種革命性技術(shù)，它可以在保證安全性的同時，提高電池能量密度。”李泓補(bǔ)充說。

不過，單純強(qiáng)調(diào)安全性并不能把固態(tài)電池完全推向市場，性能的提升和成本的降低更加關(guān)鍵。“目前固態(tài)電池安全性能更高，但是在其他主要性能上，比如充放電速率上，低溫特性上與采用液體電解質(zhì)的現(xiàn)有鋰離子電池有顯著的差距。這主要是在固體電解質(zhì)中離子傳輸?shù)乃俣容^慢，固體電解質(zhì)和正負(fù)極材料界面的電阻很大，這些問題還沒有很好解決，所以快充的特性暫時沒有發(fā)揮出來。”李泓透露，全固態(tài)電池在快充時更安全，目前在日本學(xué)界的研究里表示其可以快充，但都還在實(shí)驗(yàn)室探索階段，離應(yīng)用較遠(yuǎn)。

豐田歐洲先進(jìn)技術(shù)小組博士ChihiroYada指出，全固態(tài)電池面臨的技術(shù)障礙是功率密度不夠高，原因在于電池陰極和固態(tài)電解質(zhì)之間的轉(zhuǎn)移電阻過高。因此，全固態(tài)電池開發(fā)過程中的主要任務(wù)就是提高它的功率密度。

固態(tài)金屬鋰電池的特性使其負(fù)極可以使用金屬鋰，金屬鋰的容量是目前鋰離子電池中石墨負(fù)極的10倍，如果能解決金屬鋰使用和加工過程的安全性問題，用金屬鋰作負(fù)極，用高能量密度材料作正極，電池能量密度會有1至3倍的提升，而提升能量密度又是降低成本的最有效的辦法。“雖然固態(tài)電池的制造和設(shè)計(jì)與現(xiàn)有的方式不一樣，到底采用哪種工藝和技術(shù)路線還沒有確定，但可以肯定這是非常有競爭力的技術(shù)路線，固態(tài)金屬鋰電池大規(guī)模進(jìn)入市場最快還需5至10年的時間。”李泓預(yù)計(jì)。

氫氧燃料電池：汽油的理想替代物

一次燃料加注僅3分鐘，巡航里程超過500公里，百公里加速10秒……隨著豐田Mirai氫氧燃料電池車在今年上海車展亮相后，氫氧燃料電池技術(shù)一時成為人們熱議的焦點(diǎn)，甚至被認(rèn)為是汽油燃料的理想替代物。

事實(shí)上，日本豐田、本田公司在氫氧燃料電池領(lǐng)域已經(jīng)研究了30多年，投入了大量資金。早在2014年11月18日，豐田公司就把氫氧燃料電池汽車推向了市場，標(biāo)志該電池商業(yè)化走出了第一步。

氫氧燃料電池的充電方式其實(shí)就是加注氫，形式上和加油較為類似，不過氫氧燃料電池則要環(huán)保得多。該電池工作原理是氫氣和氧氣經(jīng)過離子膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放電子，產(chǎn)生電能，從而代替汽油發(fā)動機(jī)發(fā)電，最終驅(qū)使電動馬達(dá)帶領(lǐng)車輛前進(jìn)，而化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物只有水沒有二氧化碳。

“豐田推出氫氧燃料電池汽車，是一個標(biāo)志性、歷史性事件，但并不代表其能夠馬上進(jìn)入市場。從理論上說這是一條有競爭力的技術(shù)路線，最終能不能商業(yè)化還要看其技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。”李泓坦言，燃料電池加氫速度快，一次加氫續(xù)航里程長，和汽油相當(dāng)，且產(chǎn)物是水，從使用過程的環(huán)保角度考慮是汽油的理想替代物；但其成本高昂，氫的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存都要克服很大困難。

中國燃料電池領(lǐng)域唯一的工程院院士、中國電動汽車百人會學(xué)術(shù)委員會委員衣寶廉也表達(dá)了同樣的觀點(diǎn)，他認(rèn)為，從國際上來看燃料電池汽車已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化的誘導(dǎo)期，燃料電池車用主要問題基本解決。限制燃料電池車大規(guī)模商業(yè)化的問題有兩件事情，一個是加氫站的建設(shè)，一個是進(jìn)一步提高燃料電池的可靠性和耐久性，同時降低貴金屬鉑的用量。

目前，汽油、天然氣有現(xiàn)成的基礎(chǔ)設(shè)施可以利用，鋰離子電池建設(shè)充電樁也有成熟的電網(wǎng)可以利用，而氫氧燃料電池電動車需要重新建立一整套基礎(chǔ)設(shè)施。以日本的情況來看，建設(shè)一個加氫站約需500萬美元，大規(guī)模建設(shè)直接推高成本。此外，氫的擴(kuò)散性很強(qiáng)，高濃度氫的傳輸需要鋪設(shè)專門的管道，配備高壓氣罐儲存，還需要大量電能維持在很低的溫度。

“今后消費(fèi)者選擇燃料電池汽車還是鋰離子電池驅(qū)動的純電動汽車，需要綜合考慮使用的便捷性和經(jīng)濟(jì)性，這兩種技術(shù)可能會在未來展開競爭與合作，不斷提高各自水平。”李泓說。

石墨烯電池：看上去很美

2014年底，一條爆炸性的消息讓全球電動汽車行業(yè)震驚：西班牙Graphenano公司同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出了首例石墨烯聚合材料電池。這種電池的壽命是傳統(tǒng)氫化電池的4倍，是鋰離子電池的2倍。用它來提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而將它充滿電只需要不到8分鐘的時間。

“超級電池”的神奇效果的確驚人，但事實(shí)真的如此嗎？在不久前舉行的石墨烯儲能、動力電池產(chǎn)業(yè)投資高峰論壇上，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟披露了一段2015年3月西班牙石墨烯會議期間，與Graphenano公司CEOMarioCeldran就其高容量快速充放電的石墨烯聚合物電池的現(xiàn)場交流視頻。

面對中國專家的疑問，MarioCeldran表示，現(xiàn)在電池這塊的實(shí)用發(fā)展階段還是紐扣電池，利用石墨烯材料做出的紐扣電池在今年六、七月份上市，未來還會進(jìn)一步應(yīng)用推進(jìn)到電動汽車動力電池。目前我們小的電池技術(shù)性能已經(jīng)達(dá)標(biāo)，進(jìn)一步應(yīng)用到汽車上時只需疊加起來，進(jìn)行放大即可。

由此可見，此前網(wǎng)絡(luò)上流傳的關(guān)于“超級電池”的報(bào)道，與實(shí)際情況出入較大。“目前，通過石墨烯聚合物，做出高性能的紐扣電池是有可能的。但是把紐扣電池的性能直接導(dǎo)入到汽車電池的性能，最多只能是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，推斷存在很大問題。”中國科學(xué)院寧波動力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室主任劉兆平說。

雖然當(dāng)前“石墨烯電池”這一名詞關(guān)注度很高，實(shí)際上記者查詢資料發(fā)現(xiàn)，國際鋰電學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界居然完全沒有“石墨烯電池”這個提法。“石墨烯電池的命名從學(xué)術(shù)的角度看是非常不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模拔覀兲岬降膸最愲姵卦谠怼⒃O(shè)計(jì)上都很清楚，但石墨烯電池的概念目前無法界定，市場炒作成分太大。”李泓表示。

石墨烯有很大的比表面積，相對于石墨，理論上可以攜帶更多的鋰離子，得到和失去鋰離子的速度都很快，這種特性給鋰離子電池增加容量，加快充放電速度提供了物理基礎(chǔ)。但是在試驗(yàn)中，石墨烯直接做負(fù)極材料的綜合效果并不好，這主要是因?yàn)樵诂F(xiàn)有的使用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池中，在石墨烯表面會發(fā)生嚴(yán)重的副反應(yīng)，產(chǎn)生了不能儲能的副產(chǎn)物，使其不能很好地可逆儲鋰。

“從原理上說，石墨烯用于導(dǎo)電添加劑可能會有更好的表現(xiàn)，但是制備高質(zhì)量石墨烯的工藝復(fù)雜，且成本極高。”李泓直言，現(xiàn)在石墨烯達(dá)到量產(chǎn)能力的很少，石墨烯的制備方法很多，要制造真正達(dá)到電池級應(yīng)用的石墨烯導(dǎo)電添加劑，成本下不來，現(xiàn)在和炭黑、碳納米管相比沒有明顯優(yōu)勢。而且解決工業(yè)級別的石墨烯與現(xiàn)有電極材料的均勻分散遠(yuǎn)非易事，碳納米管在電池中應(yīng)用的分散技術(shù)研究了近10年才取得了突破。

“石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用還有許多具體技術(shù)難題需要突破。現(xiàn)在不能說石墨烯就沒有用，但顯然不能夸大其詞，任何產(chǎn)品要應(yīng)用應(yīng)該考量綜合技術(shù)指標(biāo)，必須在產(chǎn)品量級上來講對比優(yōu)勢才有意義。”李泓補(bǔ)充說。