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新型锂电池或为电动汽车发展扫除了障碍

发布时间:2013-05-14

--先容一项科技新成果 
方轩朗

今年3月最新一期《自然》(Nature)杂志子刊《科学报道》(Sci.Report)刊发了复旦大学教授吴宇平课题组的一项关于锂电池新进展的研究成果——水溶液锂电池,采用了水溶液的电解质代替了有机物电解质。初步实验结果表明新成果不但降低了生产成本,而且大大提高了电池的能量密度,据测算,实际的能量密度可达220 Wh/Kg(瓦时/公斤)。相比现有的电动汽车用锂电池的能量密度120 Wh/Kg,将锂电池性能提高了80%》(Nature)杂志子刊《科学报道》(Sci.Report)刊发了教授课题组的一项关于锂电池新进展的研究成果——水溶液锂电池,采用了水溶液的电解质代替了有机物电解质。初步实验结果表明新成果不但降低了生产成本,而且大大提高了电池的能量密度,据测算,实际的能量密度可达220 Wh/Kg(瓦时/公斤)。相比现有的电动汽车用锂电池的能量密度120 Wh/Kg,将锂电池性能提高了80%。预计装备这一新型水锂电池的电动汽车充一次电的行驶距离可达200-400公里,比现有的150-180公里要高出很多。这种新型水锂电池一旦产业化成功后,将能彻底解决目前新能源电动车存在的安全隐患、成本高、行驶里程短等三大制约其产业发展的主要难题。

一.锂电池的基本原理

锂电池是指电化学体系中含有锂(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物)

的储能电池。锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。

上世纪七十年代,发明了一次性的锂电池,并投入了生产。一直到1991年日本的SONY企业正式宣布首个商用可充电的锂离子电池的诞生。从而,锂离子电池的实用化革新了整个数码电子产品的面貌。

锂离子电池实际上是一种锂离子浓度差电池。正极是锂的化合物,负极是碳。充电时,锂离子从正极经过电解质崁入负极,电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极,以保证负极的电荷平衡。放电时则相反,锂离子从负极经过电解质跑到正极。依靠锂离子在正负极之间的迁移而产生了电流。简而言之,锂电池在充电时,通过电化学过程将电能转化成化学能,而在放电时,再将化学能转化成电能。

二. 锂电池的特点

优点:

1. 能量比较高。具有高储存能量密度,是铅酸电池的约6-7倍;,是的约6-7倍;

2. 使用寿命长,使用寿命可达到6年以上,有可以使用10,000次的记录;

3. 额定电压高(单体工作电压为3.7V或3.2V),约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压,便于组成电池电源组;的串联电压,便于组成电池电源组;

4. 具备高功率承受力,可快充快放,便于高强度的启动加速;

5. 自放电率很低,这是该电池最突出的优越性之一,目前一般可做到1%/月以下,不到镍氢电池的1/20;

6. 无记忆效应;

7. 高低温适应性强,可以在-20℃--60℃的环境下使用,经过工艺上的处理,可以在-45℃环境下使用;

缺点:

1. 锂电池存在安全性差,有发生爆炸危险;

2. 锂电池均需保护线路,防止电池被过充过放电。

3. 生产要求条件高,成本高。

三.水溶液锂电池的实验装置概况

水溶液锂电池实验装置示意图

阳极结构示意图

水溶液锂电池实验装置如上图所示。与现有锂电池的最大区别就是用水电解液取代了有机质电解质。使用包覆着凝胶聚合物电解质以及固态LISICON薄膜的金属锂作为阳极,锰酸锂LiMn2O4 作为阴极,浸入Li2SO4 水溶液就构成一平均放电电压为4V的可充电的锂电池。充电时,锂离子从水溶液中透过二层薄膜到达阳极,得到一个电子还原成锂沉积在金属锂表面。放电时则相反,锂原子失去一个电子变成锂离子,然后透过二层膜进入到水电解液中。实验表明二个电极在水电解液中非常稳定。

四. 实验结果

1. 基于实验得到的放电电压以及锂金属及锰酸锂电极的容量来计算,该电池的能量密度应为446 Wh(瓦时)kg?1 。比其他水锂电池((30–45 Wh kg?1)高得多。考虑到批量生产技术方面的因素,即使损失一半,该电池的实际能量密度也应该大于220 Wh kg?1,比现有的电动汽车锂电池的能量密度(120 Wh kg?1 )要高出80%。这表明,装备该电池的汽车充一次电可跑200-400公里

2. 安全问题。由于水电解液能够吸取大量热量,所以该系统的冷却效果比现有的锂电池好得多。通常在电动汽车的大容量锂电池组中需要的冷却系统,用水锂电池就不需要了。大大提高了安全性能及可靠性。

3. 所用化学材料是环境友好,无污染的。避免了使用LiPF6 之类的对环境构成危险的有机电解质材料。

4. 非常好的充放电性能。

5. 所用材料容易得到,制造成本低廉。

6. 这一成果如能实施,将为目前全球踌躇不前的电动汽车产业扫除了主要障碍,也是数码电器的用户的福音,为新能源发展、为中国和人类社会的支柱产业注入新动力

五.后记

1. 复旦课题组下一步工作目标是选用新材料代替锰酸锂作为阴极,以进一步提高电池性能,使实际的能量密度可达到300 Wh kg?1以上,这意味着电动汽车一次充电可至少跑300公里。

2. 对于该成果的发表大多数人是肯定的,但也有少数人对于课题组在记者采访时“装备这种电池的电动汽车一次充电只要10秒左右,就能跑400公里”的说法表示怀疑,甚至还有人说他们是骗子。对此,课题组的回应是该新型水锂电的研发目前只是在原理上实现新突破,并在实验室得到了验证。因而,理论上10秒左右是可以将60千瓦时的电池100%充满的。但在实际应用时还要涉及到充电设备的技术和成本问题。

3. 科学发明从实验室到产业化的过程中仍有很多问题需要解决。课题组正在寻求与国内外企业合作,尽快将这一成果产业化,推动新能源车产业的加速发展。

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