中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近年來(lái)，電動(dòng)車(chē)的購(gòu)買(mǎi)量一直在上升，去年僅美國(guó)市場(chǎng)的年同比增長(zhǎng)率達(dá)到37％；而在中國(guó)，2016 年新能源汽車(chē)總產(chǎn)量達(dá)到 518,582 輛，同比增長(zhǎng)38.8%，純電動(dòng)占比81.9%，插電式混合動(dòng)力占比18.1%。
有預(yù)計(jì)指出，截至 2022 年，電動(dòng)車(chē)的使用率將大幅提升，屆時(shí)電動(dòng)車(chē)的預(yù)計(jì)成本將與內(nèi)燃機(jī)機(jī)動(dòng)車(chē)持平。然而，這些估計(jì)基于的假定是，現(xiàn)有的鋰離子電池仍然將是電動(dòng)車(chē)的主要電力來(lái)源。
德州大學(xué)奧斯汀分校科克雷爾工學(xué)院（Cockrell Engineering School）94歲高齡的約翰·古迪納夫（John Goodenough）教授是鋰離子電池共同發(fā)明者�，F(xiàn)如今，他又帶領(lǐng)工程師團(tuán)隊(duì)打造了一個(gè)新型全固態(tài)電池，如果取得成功，這一新發(fā)明的重要性不言而喻——我們的手持移動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)汽車(chē)與固定儲(chǔ)能系統(tǒng)將能夠用上更安全、充電更快、更為持久的可充電電池。
回到技術(shù)本身，古迪納夫教授的這項(xiàng)突破是一款新型的低成本的全固態(tài)電池。這款電池所具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)：不易燃燒、體積能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電速度快等。該研究由科克雷爾工程學(xué)院高級(jí)研究員瑪利亞·海倫娜·布拉加（Maria Helena Braga）與古迪納夫教授共同完成。
這一里程碑式的研究于近日發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Envrionmental Science）上。
鋰-硫固態(tài)電池示意圖
研究人員的實(shí)驗(yàn)表明，他們開(kāi)發(fā)出的新電池的能量密度至少是當(dāng)下鋰離子電池的三倍。從文章中的數(shù)據(jù)來(lái)看，這款電池的完全放電的能量密度為10.5Wh/g，而在可循環(huán)電壓范圍內(nèi)，能量密度為8.5Wh/g。當(dāng)應(yīng)用于新能源汽車(chē)時(shí)，更高的能量密度意味著，一輛電動(dòng)汽車(chē)一次充電后的活動(dòng)半徑將被大幅提高。
此外，全固態(tài)電池的固有特性還增加了電池的充放電次數(shù)（更耐用）。同時(shí)，新電池的充電速率也得以大幅提升（只需要數(shù)分鐘，而不是以往的數(shù)小時(shí)）。
金屬鋰形成枝晶，造成電池短路的3維示意圖
古迪納夫教授指出：“成本、安全性、能量密度、充放電速率和循環(huán)壽命等因素決定了電動(dòng)汽車(chē)能否被社會(huì)所廣泛接受。我們相信，這一發(fā)現(xiàn)解決了當(dāng)前電池中許多固有的難題�！�
當(dāng)今的鋰離子電池多使用液態(tài)電解質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)鋰離子在陽(yáng)極和陰極之間的輸送。但是如果電池單元充電的速度過(guò)快，它會(huì)導(dǎo)致鋰離子析出，形成橫跨液體電解質(zhì)的枝晶，或者所謂的“金屬晶須”，從而引起電池短路，并有可能引起爆炸或者火災(zāi)。類似的情況也會(huì)發(fā)生在其他堿金屬，如鈉，鉀中。
因此，盡管理論上堿金屬陽(yáng)極能夠?qū)崿F(xiàn)最高的電池能量密度，并且提高循環(huán)壽命，但是目前來(lái)看，安全性仍然是制約電池使用堿金屬陽(yáng)極的主要因素。
當(dāng)前的鋰離子電池，陽(yáng)極材料多為嵌入的鋰化合物，如鈷酸鋰，磷酸鐵鋰，錳尖晶石等，它們會(huì)與液態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)，生成一層厚約20nm左右，能通導(dǎo)鋰離子，但是不通導(dǎo)電子的固態(tài)-電解質(zhì)界面膜（Solid-electrolyte interphase），這一層界面膜能阻止鋰與電解質(zhì)溶液的進(jìn)一步接觸，故而能提升電池的安全性與穩(wěn)定性。但是另一方面，這一層界面膜會(huì)消耗陽(yáng)極與電解質(zhì)，因而會(huì)降低電池的效率。
在論文中，研究者們使用了非晶電解質(zhì)取代了常規(guī)電池中所使用的液體電解質(zhì)。與常規(guī)電池中的液體電解質(zhì)相似，這種固態(tài)電解質(zhì)也能很好的通導(dǎo)鋰離子與鈉離子。不僅如此，由于這種固體電解質(zhì)其導(dǎo)帶（conduction band）的能量要高于鋰的費(fèi)米能級(jí)，因而不會(huì)形成在常規(guī)電池中出現(xiàn)的固態(tài)-電解質(zhì)界面膜，從而提升了電池的效率。
另一方面，與堿金屬陽(yáng)極接觸的固態(tài)電解質(zhì)能夠有效地避免陽(yáng)極生成枝晶結(jié)構(gòu)，因而能夠完全消除鋰離子電池中的安全隱患。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種電池能在保持很低的電池內(nèi)阻情況下，能實(shí)現(xiàn)多達(dá)1200余次的充放電。下圖給出了電池長(zhǎng)達(dá)1000多小時(shí)的充放電測(cè)試曲線。從這個(gè)電壓-時(shí)間曲線中，可以看出這款新型鋰-硫電池在很長(zhǎng)的循環(huán)壽命中，仍然能夠保持非常穩(wěn)定的放電電壓。
鋰-硫固態(tài)電池充放電實(shí)驗(yàn)，電池電壓與時(shí)間示意圖
在對(duì)于工作環(huán)境溫度的適應(yīng)性上，全固態(tài)電池有著巨大的優(yōu)勢(shì)。由于固體非晶電解質(zhì)在低至零下20攝氏度的環(huán)境中仍然具有很高的導(dǎo)電性，因此可以確保電動(dòng)汽車(chē)在零度以下的天氣中仍然能正常工作。在耐高溫方面，新電池還是世界上第一款能夠在60攝氏度下工作的全固態(tài)電池組。
布拉加與古迪納夫教授先前研發(fā)出的非晶固態(tài)電解質(zhì)
除了上述特點(diǎn)外，這項(xiàng)工藝還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)——電池可以用更加環(huán)保的材料制成。布拉加表示，非晶電解質(zhì)可以用低成本的鈉來(lái)代替鋰，而鈉可以輕易地從海水中獲取。
古迪納夫教授和布拉加現(xiàn)在正在繼續(xù)推進(jìn)他們的電池研究，并且正準(zhǔn)備申請(qǐng)專利。他們?cè)诮谟?jì)劃與電池制造商合作，開(kāi)發(fā)和測(cè)試為電動(dòng)汽車(chē)和能源存儲(chǔ)裝置提供的新型電池。
