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锂电池技术再进一步 “锂硫”获突破
2014-08-26 09:20:26   来源:    点击:

今年以来,燃料电池领域技术接连获得突破;在新技术助力以及政策对新能源汽车的大力扶持之下,资本市场不断上演燃料电池的炒作热潮,wind燃料电池指数近期更是直逼历史高点。继今年2月份金属所在高能量密度锂硫电池方面取得进展外,本月22日,中科院大连化物所陈剑研究员带领先进二次电池研究团队,在高比能量锂硫二次电池方面再度取得重要进展,并研制成功额定容量15Ah的锂硫电池,形成了小批量制备能力。分析人士表示,随着锂硫电池重要技术相继获得突破,尤其是海外各大汽车厂商更是不断追加对燃料电池的投入,相关电池的产业化进程大概率将进一步加快。国内方面,新源动力股份有限公司成立于2001年4月,由中国科学院大连化学物理研究所、长城电工、南都电源、新大洲等单位发起设立,是中国第一家致力于燃料电池产业化的股份制企业。

中科院锂硫电池研究获突破

据科学网报道,8月22日,中科院大连化物所陈剑研究员带领先进二次电池研究团队,在高比能量锂二次电池方面取得重要进展,研制成功了额定容量15Ah的锂硫电池,并形成了小批量制备能力。

据了解,经过检测的电池比能量大于430 Wh/kg,是目前公开报道的容量最大的锂硫电池,超过Sion Power公司报道的锂硫电池2.5Ah@350Wh/kg的技术指标,是目前从事锂硫电池研究的最高水平。

锂硫电池是一种可持续发展的高比能量二次电池,具有元素储量丰富、成本低廉等优点,是电动汽车动力电池的研究热点。目前,锂硫电池的国际技术水平约为比能量350Wh/kg。为此,锂硫电池的研发目标为,至2016年,锂硫电池的能量密度达到400-600Wh/kg,有望推动这一电池驱动的电动汽车续航里程超过500公里。

有业内专家表示,单质硫作为锂硫二次电池正极材料与金属锂构成的二次电池体系理论比能量密度可达2600Wh/kg,是商业钴酸锂/石墨锂离子电池(理论能量密度360Wh/kg)的7倍;同时单质硫价格低廉、产量丰富、安全无毒、环境友好,因而锂硫电池被认为是很有发展前景的新一代电池。

国外技术发展迅速电池产业化步伐加快

数十年以来,锂离子电池的能量密度不断提高,并广泛应用于智能手机等领域。但锂离子电池需要笨重的阴极(一般由氧化钴等材料制成)来“收纳”锂离子,从而限制了电池能量密度的进一步提高。这意味着,对诸如长距离电动汽车等需要更大能量密度的应用来说,锂离子电池显得有点力不从心。

据外媒报道,今年6月份,美国国家标准与技术研究所(NIST)、亚利桑那大学和韩国首尔国立大学的研究人员携手将这些材料混合在一起,研制出了一种廉价、高功率的锂硫电池。研究人员表示,新电池的性能可与目前市场上占主流的电池相媲美,而且,经过500次充放电循环后功能无损。专业人士戏称,一种工业废品、一点塑料,再加上不太高的温度,或许就是引爆下一个电池革命的导火线。

在对能量密度需求大幅增加的背景下,科学家们将目光投向了锂离子电池更纤瘦的“表妹”——锂硫电池身上,后者的阴极主要由硫(石油工业廉价的副产品)制成。硫的“体重”仅为钴的一半,因此,同样体积的硫收纳的锂离子数为氧化钴的两倍,这就使得锂硫电池的能量密度为锂离子电池的数倍。

根据相关媒体报道,在最新研究中,为了制造出稳定的硫阴极,研究人员将硫加热到185摄氏度,将硫元素由8个原子组成的环路融化成长链,随后,他们让硫链同二异丁烯(DIB,一种碳基塑料前体)混合,二异丁烯让硫链连接在一起,最终得到了一种混合聚合物。他们将这一过程称为“逆向硫化”,因为其同制造橡胶轮胎的过程类似,关键的区别在于:在轮胎中,含碳材料会聚集成一大块,硫则点缀其中。

该测试表明,经过500次的循环后,电池的能量密度仍为最初的一半多。亚利桑那大学的化学家杰弗里·佩恩表示,其他还处于实验阶段的锂硫电池也有同样的性能,但其制造成本高昂,很难进行工业化生产。

NIST的材料科学家克里斯托弗·索尔斯表示,尽管如此,这种锂硫电池短期内也不会上市,因为硫暴露在空气中很容易燃烧,因此,任何经济可行的锂硫电池都需要经过非常严苛的安全测试,才能投放市场。

业内专家表示,尽管锂硫电池的正极是限制其应用的重要瓶颈和亟待解决的难题,但这些问题可通过形成碳硫复合电极材料来加以解决。只是这会降低整个电池的能量密度,因为碳硫复合电极材料中硫含量超过70wt%时,才具备应用价值。

2015年将是燃料电池乘用车的元年,丰田、本田、现代纷纷推出量产车,几大汽车集团也通过与政府和能源公司合作积极推动基础设施的建设,在此背景下,燃料电池车正逐步进入市场导入期。目前来看,制造成本是推广最大的问题,成本的核心在于规模;不过随着燃料电池车的产业化,在技术渐趋成熟的情况下,未来成本的下降值得期待。

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