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小看日本实力了?8倍性能锂硫电池,和中国麒麟电池比起谁更强?

科普启示录

2022-10-05 20:02山东

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以目前全球电池芯供需情况分析,研调机构InfoLink预估,今年锂电池市场需求将突破500GWh,2030年将达2900GWh,其中近9成需求来自电动车。

而人们最关心的问题就是电池的续航能力。作为当今科技比较领先的两个国家,中国和日本都期待在此领域有所突破,在这场没有硝烟的战场中究竟最终谁胜谁负呢?又是谁会在错综复杂的电池竞赛中先拔头筹呢?

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中国--宁德时代的麒麟电池

宁德时代(CATL)发表的CTP 3.0麒麟电池,采用全新设计与制程,并且可支持两种阴极材料,最重要的成就当然是能量密度大幅提升。

根据官方数据,采用三元(镍钴锰)阴极的麒麟电池,能量密度可达到最高255 Wh/kg,而使用磷酸铁锂(LFP)阴极的电池能量密度则可达最高160 Wh/kg。理论上当然可以提供比前代电池更好的续航力。

麒麟电池跟目前特斯拉使用的电池相比,能量密度几乎相同,但是在同样原料、同样尺寸的前提下,麒麟电池电量会比特斯拉新电池4680还多出13%。

这个优势主要来自于整体空间的重构,宁德时代使用新的多功能弹性夹层,将电池组的支架、水冷板与隔热垫整合在一起,重构后的电池,释放出了6%的空间,同时抗震、防撞击能力也提高。

此外,新的电池扩大了电池芯的冷却面积达4倍之多,使得电池芯温度调节耗时降低一半,进而实现了5分钟快速热启动和10分钟快充的优势。

日本--研发储电容量大的锂硫电池

针对宁德时代对于电池芯的研究,日本则是瞄准了锂硫电池,这是一种容量大、成本低廉的高效电池。其能量密度足以让智慧型手机5天不用充电、电动飞机续航里程延长2倍。

与我国现在常见的锂离子电池相比,锂硫电池更轻,且重量、能量密度为锂离子电池的五倍之多,相同体积或重量下,能量密度愈高就可以提供愈多的电力,因此这种电池相当适合应用在电动车、电动飞机等。

很多学者表示,锂硫电池可以储存更多的电力,从数据上来看,装载锂离子电池的电动车续航里程平均300公里,若是采用锂硫电池,续航里程可以冲到500公里。但如何合理安全地利用锂硫电池,科研小组需要反复大量的实验证明。

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首先要面对的就是来自稳定性的挑战,在锂硫电池充放电过程中,中间产物多硫化锂会迅速溶解成麻烦的多硫化物(Polysulfide),而不是理想状态下的硫化锂或是过硫化锂。这会让电池关键模块迅速变质、接点失效。

科研小组经过反复实验,最终选用了新型的海绵材料,做到了让锂硫电池充电放电循环破数百次。这是一种奈米级多孔海绵,并在海绵涂上氮化钛和二氧化钛,氮化钛可以加速多硫化锂转化成硫化锂,二氧化钛则能吸收不需要的多硫化物。

紧接着要面临的第二个问题就是锂硫电池易破裂难题,这是因为锂硫电池的储电容量实在是太大了,电池无法承受相应的应力,就会导致破裂。

而且通常电池充放电过程往往伴随体积变形,无数次膨胀收缩后的应力累积会破坏电极结构,专家指出,应力会让电极负责传递电子的碳基体、黏合碳与硫的聚合物黏着剂受损,使电池性能下滑。

怎么办?团队的方案倒是很直接,研究新的黏着剂。提高了硫阴极的应力负荷,整体性能也不会下降,这样一来,电池也就不会因为充电时间过长而导致变形破裂了。

在科研团队的200次充放电循环实验中,效率高达99%,而且达到前所未有的高储电量,真正做到了新电池能让手机5天不用充电,电动车续航里程超过1000公里的壮举。
日本的锂硫电池,能否大批量商业化生产?

截止到2015年,几乎没有一家企业能够在工业规模上把锂硫电池进行商业化,直到日本Sion Power等企业与Airbus Defence and Space进行了合作测试。

他们成功发射了电力驱动的高度模拟卫星,虽然该卫星白天利用太阳能获得动力,但到了夜晚它可以从锂硫电池中获得足够的电力继续飞行。测试共进行了11天,虽然不是纯电力驱动,也算为锂硫电池的商业应用迈出了第一步。企业为试飞提供了350Wh/kg的Sion Power Li-S电池,并于2017年底全面生产。

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因为锂硫电池重量轻,所以目前优先用于汽车和航空领域。目前推出的电池,容量1.2kWh,比铅蓄电池重量少60%,宽度大增。构建了重量仅25kg、完全可伸缩的3U、3000Wh机架安装型电池,成本约为200美元/kWh。

未来,锂硫电池被广泛用于摩托车电池系统中,甚至用于电力航空的发展。但目前距离预定的目标仍有不小的差距。日本文部科学省的项目能源密度目标是350Wh/kg,但是2030年以后,最终需要目标将变为1000Wh/kg。

如果电量不能达到这一数值,就不能让小型客机只用电能就能起飞。而且一旦飞机起飞,就不能说在空中因为电量不足,而下降来充电。要知道就算是燃油飞机为了紧急着落,也必须能装在从目的地返回所需要的燃料。

除此之外,锂硫电池在未来的航天探索领域也取得了突破性的进展。目前航天器上的电池,多采用锂离子电池。优点就是重量能量密度高。

重量能量密度是表示比较相同重量的电池时哪一个能储存大的电的指标,该值越大,可以说是小型、轻量化的电池。对宇宙用电池来说是重要的指标之一。而这也正是锂硫电池未来的优势所在。

2021年11月15日,NEDO飞机用先进系统实用化项目的中间目标终于达成,储电量达到了400Wh/kg级。虽然该开发对象是飞机,但未来也将用于航天探索领域。

但目前锂硫电池在航天器的应用还面临着开发成本高、难度大的困难,而且用于航天器还必须考虑宇宙残酷的环境:火箭传输过程中产生的震动、抗噪音、以及宇宙辐射等放射线的破坏、太阳照射下的温度差,都严重影响着锂硫电池的寿命,需要进行更多的试验后才能投入使用,所以距离商业化大规模生产还有一定距离。

所以锂硫电池虽然市场前景很大,但目前想要大规模商业化,仍存在不小的困难。

中国也在研发锂硫电池

为了紧跟时代的步伐,我国也在研究锂硫电池。格力钛能源股份有限公司研制的非主流钛酸锂电池于今年8月获得专利。虽然钛酸锂电池并非一项新技术,但优点确实很多:循环性能好,电池安全性能高,可做到高倍率放电,但最大的缺点就是能量密度更低,容量仅为58wh/kg-91wh/kg,与锂硫电池相比毫无优势。

中国锂硫电池的研究也始终没有停下脚步,早在2019年,中日政府之间就展开了国际合作。毕竟合作共赢才是王道,青岛能源所与日本国立研究开发中心就锂硫电池项目展开合作。

而中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室也与2021年9月开始了锂硫电池的研究。目前,我国对于锂硫电池的研究还处于起步阶段,但相信凭借中华民族的聪明智慧,我们很有可能后来追上,步入这一领域的世界领先行列。

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