近日，最新一期《自然》（Nature）雜志子刊《科學(xué)報(bào)道》（Sci. Report）刊發(fā)了復(fù)旦大學(xué)教授吳宇平領(lǐng)導(dǎo)的課題組關(guān)于水溶液鋰電池體系的最新研究成果。
據(jù)該課題組實(shí)驗(yàn)測算，這一技術(shù)制造的新型鋰電池，能量效率高達(dá)95%，它的能量密度（即同樣大小、質(zhì)量的情況下單位儲存電能），比目前普遍采用有機(jī)電解質(zhì)的鋰離子電池高出80%。該課題組研究人員介紹，預(yù)計(jì)裝備這一新型水鋰電池的電動汽車，滿電狀態(tài)下行駛距離可達(dá)400公里，而充電時(shí)間僅10秒鐘左右；如應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)，待機(jī)時(shí)間可增加一倍以上。
吳宇平則在接受記者采訪時(shí)表示，這一成果經(jīng)《科學(xué)報(bào)道》刊發(fā)后，短短幾天，已有美國新能源汽車開發(fā)的相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)出合作請求，但復(fù)旦方作為擁有原創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)方，更希望尋求與國內(nèi)企業(yè)合作，盡快將這一成果在國內(nèi)運(yùn)用，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展。
“高性能水鋰電池從公布的數(shù)據(jù)來看，能量密度能夠得到大的提升，循環(huán)性能也沒有惡化，使用水系電解液也使安全性得到一定的保障，從這些方面看，水鋰電池代表了鋰電池發(fā)展的方向。”北京賽迪經(jīng)智投資顧問有限公司高級咨詢師張謙在接受本報(bào)記者采訪時(shí)表示。
“正如其發(fā)明者吳宇平教授所強(qiáng)調(diào)的，水鋰電池研發(fā)目前只是在原理上實(shí)現(xiàn)新突破，并在實(shí)驗(yàn)室得到了驗(yàn)證，但科學(xué)發(fā)明從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的過程并非一蹴而就，有很多問題仍需要解決。”張謙向本報(bào)表示。
“電位穿越”理論
從1859年勒克郎謝發(fā)明鉛酸蓄電池，之后鎳-鎘電池、鈉硫電池、液流電池以及較新的鋰離子電池、水溶液可充鋰電池（簡稱水鋰電）直到復(fù)合超級電容器，一百多年來這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展一直備受矚目。
吳宇平課題組采用復(fù)合膜將金屬鋰進(jìn)行包覆，而后將其置于pH值呈中性的水溶液中，與鋰離子電池中傳統(tǒng)的正極材料如尖晶石錳酸鋰組裝，制成了平均充電電壓為4.2V、放電電壓為4.0V的新型水鋰電池。
另外，該課題組還首次提出了鋰離子在該復(fù)合膜發(fā)生“電位穿越”的理論。
據(jù)介紹，鋰電池的主要工作原理是依靠鋰離子在正負(fù)電極之間的遷移而產(chǎn)生電流的。這種遷移是在溶液中進(jìn)行的。但是由于低電位的鋰離子會和水溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（析出氫，生成氫氧化鋰），從而使電池自身發(fā)生損耗，不能發(fā)生可逆充電，因此水鋰電池研究要解決的核心問題就是如何防止鋰離子和水在低電位發(fā)生反應(yīng)。而采用原有的“極化”（即不斷嘗試使用新型的材料制作電極）解決方案，只能使水鋰電池所產(chǎn)生的電壓最多達(dá)到2.0V，而且充放電效率低。
吳宇平介紹，該課題組則換了另外一種思路用高分子材料和無機(jī)材料制成復(fù)合膜，包裹在金屬鋰外。而這層復(fù)合膜成為了鋰離子的電位在正負(fù)極之間“時(shí)空穿越”的“隨意門”和“時(shí)光機(jī)”在這個(gè)膜的作用下，質(zhì)子和水分子無法在低電位下得到電子，就不會在鋰離子遷移過程中發(fā)生析氫或者水的分解。
吳宇平道：“你可以把它形象地想象成鋰離子的電位經(jīng)過膜，一下就到了負(fù)極，然后又直接從負(fù)極回到正極，就好像科幻片中，人跨過時(shí)光門可以直接在地球和外太空之間往返。”因此，吳也把這一新發(fā)現(xiàn)稱作“電位穿越”。
據(jù)課題組介紹，新型水鋰電，可以大幅降低電池的成本，提高其能量密度，從而使電池充電時(shí)間更短，儲存電量更多，耐用時(shí)間更久。該體系計(jì)算的實(shí)際能量密度大于220 Wh/Kg（瓦時(shí)/公斤），能量效率高達(dá)95%，預(yù)計(jì)裝備這一新型水鋰電的電動汽車的行駛距離有望達(dá)到400公里，而現(xiàn)在市面上售賣的電動車出行距離為150-180公里（如榮威E50在60公里等速時(shí)續(xù)航里程為180公里）。
產(chǎn)業(yè)化之路還很漫長
“目前鋰電池技術(shù)研發(fā)的方向主要是在保證電池的安全性、循環(huán)性等基本性能基礎(chǔ)上不斷地提升能量密度。”賽迪顧問的高級咨詢師張謙向本報(bào)表示，在傳統(tǒng)的3C領(lǐng)域，由于智能手機(jī)、平板電腦的普及，原有的電池體系能量密度不能滿足續(xù)航要求，主要通過改善電池設(shè)計(jì)和提高電池電壓來增加能量密度，但是現(xiàn)有材料體系增加電壓是存在極限的，只能提升13-20%左右。
在新能源汽車領(lǐng)域，《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》中提出到2015年電池模塊的能量密度要達(dá)到150KW/kg以上，事實(shí)上我國目前的動力電池模塊的能量密度在100-120之間，進(jìn)一步提升能量密度，解決新能源汽車尤其是純電動汽車的“里程焦慮”是動力型鋰電池技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
“總的來看，鋰電池的攻堅(jiān)難點(diǎn)之一就是提升電池的能量密度。”張謙表示。
而縱觀上述新型水鋰電池技術(shù)，在降低電池成本的同時(shí)，主要也就是提高了能量密度，以求解決目前純電動汽車電池成本居高不下、續(xù)航能力短、充電時(shí)間長等瓶頸。
據(jù)了解，在該技術(shù)問世之后，國內(nèi)也有眾多企業(yè)找到吳宇平以求合作，以求將該項(xiàng)技術(shù)盡早產(chǎn)業(yè)化，甚至還有工信部科技司、上海新能源汽車推進(jìn)辦公室等也對這一技術(shù)表示關(guān)注的消息傳出。
但在吳宇平看來，目前雖然實(shí)驗(yàn)室制備的水鋰電池能量密度已比目前傳統(tǒng)技術(shù)電池高出80%，但距離產(chǎn)業(yè)化還很遠(yuǎn)，需要十年甚至更長時(shí)間。
“從設(shè)備制造研發(fā)，到材料制備工藝優(yōu)化，到測試環(huán)節(jié)，每一步都要盡可能完善，這不是兩三年的事兒。”吳宇平表示，希望未來的合作方有打“持久戰(zhàn)”的準(zhǔn)備，不要盲目樂觀。
“從報(bào)道的數(shù)據(jù)看，這種電池現(xiàn)在還只是實(shí)驗(yàn)室的一種研究，這種實(shí)驗(yàn)室級別產(chǎn)品能否經(jīng)受起放大產(chǎn)品的考驗(yàn)還是未知數(shù)，尤其是在放大產(chǎn)品后的整體性能是否還能滿足循環(huán)、安全性現(xiàn)在都還不可知，存在技術(shù)上的不確定性。”張謙也向本報(bào)表示，更重要的是這種電池的生產(chǎn)設(shè)備包括配套產(chǎn)業(yè)都不完善，產(chǎn)業(yè)化是否行得通都需要謹(jǐn)慎樂觀。
“"水鋰電池"從理論上講是存在的，負(fù)極用金屬鋰，電解液用氫氧化鋰等水溶液，選合適正極是能做成電池的。”邦凱新能源技術(shù)副總裁肖世玲向本報(bào)記者表示了類似的看法“產(chǎn)業(yè)化之路應(yīng)該還很漫長”。“首先，鋰做負(fù)極時(shí)在充放電循環(huán)產(chǎn)生枝晶引發(fā)安全問題已經(jīng)幾十年都沒解決；其次，充放電電流密度過小；再者金屬鋰在水溶液中也容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。”肖世玲表示。
