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核心难点被攻克 锂硫电池要接棒三元锂离子电池了吗?

钜大LARGE  |  点击量:50次  |  2021年04月07日  

摘要
继今年6月中南大学赖延清教授团队在锂硫电池高安全、高比能与长寿命难以协同问题上的研究取得重大突破,锂硫电池技术研发又接连传来捷报。近日,中国科学院兰州化学物理研究所和中国科学技术大学分别在黏土矿物超亲

继今年六月中南大学赖延清教授团队在锂硫电池高安全、高比能与长寿命难以协同问题上的研究取得重大突破,锂硫电池技术研发又接连传来捷报。近日,我国科学院兰州化学物理研究所和我国科学技术大学分别在黏土矿物超亲电解液锂离子电池隔膜研究、影响锂硫电池化学动力性能重要因素研究上均获得重大进展,对推动锂硫电池在新能源汽车领域应用又迈进了关键一步。


里程焦虑这一短板已成为新能源汽车进一步推广普及的重要障碍,而现有的锂离子电池材料体系很快就要触碰到能量密度的天花板。尽管国内外车企和动力锂电池公司均看好全固态电池,但业界对其最为乐观的预计也要到2025年之后才能商业化应用,而要技术完全成熟则可能要等到2030年以后。全固态电池的路还有点远,关于新能源汽车及动力锂电池公司来说,寻找其他能更快商业化的锂电新材料体系也非常必要。集高能量密度、高理论比容量、低成本及环境友好于一身的锂硫电池便是备选项之一。但锂硫电池颇受诟病的穿梭效应一直让其没有走出实验室,应用到新能源汽车领域。


资料显示,锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂离子电池,其理论比能量高达2600Wh/kg,远高于目前商业化的锂离子电池。近年来,锂硫电池因具有高能量密度、髙理论容量、单质硫资源丰富、价格低廉以及单质硫无污染等特点,成为高能新型电池的重要研究方向之一。但锂硫电池在实际应用中,易溶于电解液的多硫化物(中间产物)形成穿梭效应,会直接导致电池循环寿命变差。因此,如何抑制多硫化物的穿梭在锂硫电池正极研究中至关重要。


电池我国网从我国科学技术大学获悉,该校钱逸泰院士团队和王功名教授课题组通过实验和理论结合的方式,研究了金属钴基化合物在锂硫化学中的动力学行为,发现钴基化合物中阴离子的价电子的p能带中心相对费米能级的位置,是影响锂硫电池界面电子转移反应动力学性质的重要因素。该研究成果日前发表在国际优秀能源材料期刊《焦耳》杂志上。


科研人员通过对转化动力学性能的研究,发现制备的金属钴基化合物表现出完全不同的电化学动力学行为。DFT模拟结果以及同时电荷差分密度分析表明,通过尝试关联不同钴基化合物的阴离子价带的p能带中心位置与多硫化合物电化学转化的动力学性能,发现改变阴离子价电子的p能带中心相对费米能级的位置,能够有效调控界面电子转移反应动力学,从而成为影响Li-S化学动力学性能的重要因素。这一成果将为Li-S电池应用研发起到指导用途。


无独有偶,近日电池我国网从我国科学院兰州化学物理研究所获悉,该所研究员张俊平团队首次设计了一种黏土矿物(锂皂石)超亲电解液锂离子电池隔膜。锂皂石含有丰富的O活性位点和Li+,还具有独特的片层结构和较大比表面。锂皂石首次被应用到锂硫电池中,用于抑制聚硫化物穿梭,并提高隔膜的Li+电导率。研究表明,该黏土矿物超亲电解液隔膜对聚硫化物穿梭具有明显的抑制用途,同时具有较高的Li+电导率、快速的Li+转移、超亲电解液性和较高的热稳定性。将其应用于锂硫电池时,在循环稳定性、倍率性能和抑制自放电等方面均表现优异。此外,该隔膜具有较好的普适性,可通过简单的涂覆法制备,在LiFePO4和锂硫电池中均表现出了优异的性能。


据电池我国网了解,日前,中南大学赖延清教授团队的高比能锂硫电池技术成果已经以高达1.4亿元总经费转让给中南新能源投资(深圳)有限公司,由该公司负责相关技术的产业化执行。据悉,赖延清教授作为该项目负责人,还申报获批了2018年度国家重点研发计划项目,预计项目执行3年内,将在国际上率先实现高比能(当前电池的2倍以上)锂硫电池的工程化制造与装车应用示范。


如此高昂的成果转让费用在国内高校中极为少见,但这也恰恰反映了当前我国新能源汽车及动力锂电池产业界对破解新能源汽车续航里程瓶颈,尽快实现新材料和新技术商业化应用的迫切需求。


除了科研院所在锂硫电池技术研发上已经投入了很多精力,目前国内像猛狮科技、桑顿新能源和国轩高科等部分动力锂电池公司也在锂硫电池技术研发上形成了一定的技术储备。电池我国网认为,随着锂硫电池重要技术相继获得突破,以及新能源汽车产业发展的推动,锂硫电池商业化进程有望加速,率先布局相关技术的公司有望抢占市场先机。在进入正题之前,先让我们了解下当下新能源汽车市场中使用的主流电池种类。如今的新能源汽车市场中,电动汽车搭配的电池组大致有两种,分别是三元锂离子电池和磷酸铁锂离子电池。其中磷酸铁锂离子电池耐高温、安全稳定性强、价格实惠、循环性能更好的优势;而三元锂离子电池电压平台很高,相同的体积或者重量下,三元锂离子电池的比能量、比功率更大。另外,在大倍率充电和耐低温性能等方面,三元锂离子电池有很大优势。


在过去的几年中,比亚迪新能源使用的电池组大部分都是磷酸铁锂离子电池,而受制于2018年最新补贴政策,今年初也转变了思路,全系车型逐渐向三元锂离子电池过度。在电池组特性这一环节,三元锂离子电池如今已发展的较为完善,就电池组本身而言,寿命远远超出我们的想象。


除了自身方面,再来看下政府以及新能源汽车厂家供应的质保服务内容。在2015年北京市经信委公布《北京市示范应用新能源小客车生产公司及产品备案管理细则(2015年修订)》中,该条款调整为:对车辆供应不低于3年或12万公里的质保服务,对动力锂电池、电机、整车控制器等关键零部件供应不低于8年或12万公里的质保服务,该质保规定一直执行至今。


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