伯克利實(shí)驗(yàn)室推新電池技術(shù) 或提高電動(dòng)車?yán)m(xù)航

    日前，美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室提出了一種能在現(xiàn)役的鋰離子電池基礎(chǔ)上增加兩倍的能量密度，同時(shí)在一定程度上提升電池壽命的解決方案。

    伯克利實(shí)驗(yàn)室所提出的解決方案是，在鋰離子電池中，用一種硫氧化石墨烯（S-GO）制成的納米復(fù)合材料作為陰極反應(yīng)物。使其放電效率高達(dá)6C（1C = 1.675 A/g硫元素），充電效率高達(dá)3C，同時(shí)還能確保較高的能量密度（6C時(shí)可達(dá)800 mA·h/g硫）。此外，電池的完整循環(huán)充放電次數(shù)能超過1500次，單次衰退率只有0.039%。這可能是目前為止，鋰離子-硫電池所能實(shí)現(xiàn)的最好水平。

    1500次完整循環(huán)充放電如何理解？大家可以想一下，如果一臺(tái)電動(dòng)汽車每天都進(jìn)行一次完整的從0至100%的充放電循環(huán)的話，那么1500次足夠支持4年左右。也就說，這臺(tái)電動(dòng)汽車的電池在使用4年后就必須更換。而常用的鋰電池中，鈷酸鋰的循環(huán)次數(shù)可達(dá)500次左右，而磷酸鋰也只能達(dá)到1000次左右。也就是說，隨著充放電次數(shù)的不斷增加，鋰離子電池的容量在不斷“衰退”。這其實(shí)跟使用次數(shù)沒有太大關(guān)系，造成衰退的主要原因是溫度。

    所以，在日常使用電動(dòng)汽車的時(shí)候，電池的電量并不會(huì)充滿100%；多是保持在40%-60%這個(gè)水平上。一是避免完整的充放電縮減壽命，二是在各種溫度下降低衰退率，三就是為電動(dòng)汽車的能量制動(dòng)回收留下空間。所以，像是Model S這類采用鈷酸鋰電池的車型，在設(shè)計(jì)之初就考慮到了電池組的拆卸情形。

    據(jù)悉，這種新型的鋰離子-硫電池的單電池結(jié)構(gòu)（Cell-level），能量密度可以達(dá)到500 W·h/kg，比當(dāng)前的鋰離子電池的密度（~200 W·h/kg）高出兩倍多。即便在經(jīng)過1500多次完整充放電后，其電量容量依然可以保持較高水平（740 mA·h/g硫）。如果要實(shí)現(xiàn)目前汽油車輛300英里（約480公里）的續(xù)航，那么單電池結(jié)構(gòu)的能量密度就必須要到達(dá)350至400W·h/kg。所以這種新型Li/S電池的能量密度理論上完全可以滿足這一需求。

    不過，伯克利實(shí)驗(yàn)室的新構(gòu)想依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，那就是電池的壽命。盡管能實(shí)現(xiàn)1500次的完整循環(huán)充放電，但從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的角度講，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。原因是，在放電過程中，鋰離子的多硫化物容易從陰極消融，與鋰陽極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Li2S，從而形成一個(gè)反應(yīng)屏障。這就是為什么在經(jīng)過幾次充放電后，電池的容量開始減少。

    目前在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域，鋰離子電池已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的鎳氫電池成為市場(chǎng)新寵，它的能量密度高、輸出功率大，并且沖、放電速度快。我們常見的，無論是鈷酸鋰電池還是磷酸鐵鋰電池，都是鋰離子電池的一種。盡管如此，當(dāng)前流行的鋰離子電池仍然存在幾大挑戰(zhàn)，如穩(wěn)定性較差、容量易衰退，以及能量密度依然不及汽油燃料。

    這些限制造成了電動(dòng)汽車用車中所謂的“續(xù)航焦慮”（Range Anxiety）。對(duì)于電動(dòng)汽車的普及來說，這并不是個(gè)小問題。尤其是沒有汽油機(jī)作為備用動(dòng)力的純電動(dòng)汽車。之前Elon Musk駕駛Model S橫跨美國，也是為了進(jìn)一步打消市場(chǎng)對(duì)Tesla電動(dòng)汽車的續(xù)航能力質(zhì)疑。目前，伯克利國家實(shí)驗(yàn)室正在尋求合作伙伴，來進(jìn)一步解決Li/S電池的壽命問題。其中，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所也參與該技術(shù)的研究。<