中國儲能網(wǎng)訊：在電動交通、低空經(jīng)濟等新興產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式增長的當下，傳統(tǒng)鋰電池的續(xù)航焦慮日益凸顯。近日，天津大學材料學院教授胡文彬、韓曉鵬團隊聯(lián)合西北核技術研究院研究員、中國工程院院士歐陽曉平，特種化學電源全國重點實驗室高級工程師郭灝研發(fā)出革命性的“離域化”電解液體系，將金屬鋰電池能量密度提升至600瓦時/公斤，較現(xiàn)有商用電池續(xù)航能力提升3倍。該成果8月13日發(fā)表于國際期刊《自然》，標志著我國在全球高能電池賽道實現(xiàn)從跟跑到領跑的關鍵跨越。
續(xù)航焦慮日益凸顯
“新興產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長，對電池性能提出了前所未有的要求。”胡文彬介紹，電動交通工具需要更長續(xù)航里程。低空經(jīng)濟中的無人飛行器對輕量化、高能量密度電源需求迫切，綠色儲能領域更是需要高效穩(wěn)定的能量存儲方案。
然而，當前廣泛應用的傳統(tǒng)鋰離子電池，已逐漸顯露出“力不從心”的疲態(tài)。目前商用鋰離子電池的能量密度普遍停留在200—300瓦時/公斤，已無法滿足無人機、高端電動車等場景對電池長續(xù)航、輕量化的需求。
以低空經(jīng)濟為例，根據(jù)中國民航局最新數(shù)據(jù)，2023年我國民用無人機市場規(guī)模已突破1200億元，但無人機飛行時間普遍局限在30—60分鐘。“電池重量占無人機重量的30%—40%。能量密度不足直接限制了其作業(yè)半徑和載荷能力?！焙谋蛘f。同樣，在電動汽車領域，消費者對續(xù)航里程的焦慮仍未消除。盡管主流車型續(xù)航里程已達500—700公里，但冬季衰減、快充損耗等問題依然突出。
傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度和性能已接近理論極限。相比之下，鋰金屬電池憑借其遠超傳統(tǒng)鋰離子電池的理論能量密度，被寄予厚望。胡文彬進一步解釋：“鋰金屬的理論比容量是現(xiàn)有石墨負極的10倍以上。采用鋰金屬作為負極的電池，理論上能實現(xiàn)能量密度的跨越式提升?！?/span>
“這不僅是技術升級的需要，更是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。”胡文彬認為。巨大的技術潛力與迫切的產(chǎn)業(yè)需求形成的強大合力，推動著全球科研力量加緊攻關，力求在新一代高能二次鋰電池的研發(fā)上實現(xiàn)關鍵性突破，為新興產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展注入強勁動力。
新設計理念突破傳統(tǒng)限制
面對傳統(tǒng)鋰電池的技術瓶頸，天津大學聯(lián)合科研團隊創(chuàng)新性提出高能二次金屬鋰電池“離域化”電解液設計理念，突破傳統(tǒng)溶劑化結(jié)構的限制。
“傳統(tǒng)鋰電池所使用的電解液配方較為單一。這種高度結(jié)構化的體系限制了鋰離子的反應行為?！表n曉鵬介紹，傳統(tǒng)電解液依賴單一溶劑主導結(jié)構，鋰離子在其中的傳輸與反應行為和界面穩(wěn)定性難以精準調(diào)控，導致電池能量密度、循環(huán)壽命和安全性難以平衡。
為破解這一難題，研究團隊依托天津大學學科優(yōu)勢，強化材料科學、電化學、人工智能、儲能等多學科交叉融合，構建了電解液溶劑和鋰鹽組分高通量篩選平臺，并將先進算法與篩選平臺融合，大幅縮短電解液體系研發(fā)周期。同時，團隊積極開展國際合作與產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新，與新加坡國立大學、特種化學電源全國重點實驗室及多家國內(nèi)頭部企業(yè)加強合作，聯(lián)合開展關鍵技術攻關，推進原始創(chuàng)新與工程化應用。
團隊的核心創(chuàng)新在于打破了傳統(tǒng)電解液對單一溶劑主導結(jié)構的依賴?！巴ㄟ^引入多組分體系，我們構建了更加自由、多樣且無序的溶劑化微環(huán)境，顯著提升了電解液的成分多樣性和冗余度?！表n曉鵬解釋，這種設計為鋰離子在復雜微觀環(huán)境中的高效傳輸提供了有利條件，并實現(xiàn)了對電極反應行為和界面穩(wěn)定性的精準調(diào)控。
團隊結(jié)合多種高分辨光譜技術與多尺度理論模擬手段，從分子層面深入揭示了“離域化”電解液的作用機制：它能有效降低鋰離子遷移能壘，同時抑制電極界面副反應，提高反應可逆性，從而在提升能量密度的同時，保障電池的循環(huán)壽命和安全性。
依托這一關鍵創(chuàng)新，團隊率先在國際上研制出能量密度超過600瓦時/公斤的金屬鋰軟包電芯及超過480瓦時/公斤的模組電池，核心性能指標較現(xiàn)有主流鋰離子電池提升2—3倍，為高能電池技術的實用化邁出了關鍵一步。
產(chǎn)業(yè)化進程加速
目前，這項原創(chuàng)性技術已從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化應用階段。研究團隊依托天津大學國家儲能技術產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺和貴金屬功能材料全國重點實驗室等國家級科研平臺，積極推進科研成果的技術轉(zhuǎn)化與應用驗證，已建成具備自主知識產(chǎn)權的高能二次金屬鋰電池中試生產(chǎn)線。
在應用場景方面，該技術已率先在我國三款型號的微型全電無人飛行器上實現(xiàn)實裝應用，展現(xiàn)出“一克電池飛一公里”的卓越輕量化續(xù)航能力?！皩嵮b測試顯示，搭載該電池的無人飛行器巡航時間較現(xiàn)有主流電池提升約2.8倍，獲得了整機單位和用戶單位的一致認可?！焙谋蚪榻B。
值得關注的是，團隊已系統(tǒng)掌握高能二次金屬鋰電池在“電解液—電極—電芯”全鏈條中的關鍵核心技術。生產(chǎn)線具備高一致性、高可靠性的批量化制備能力，初步構建起面向規(guī)?；a(chǎn)的工程體系，其所需的關鍵原材料與工藝流程均實現(xiàn)自主可控。
“中試生產(chǎn)線預計將于今年下半年實現(xiàn)全面投產(chǎn)運行，有望為新一代高能量密度儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應用提供堅實支撐?！焙谋蛘f。
展望未來，該技術在航空航天、新能源汽車、低空經(jīng)濟、消費電子、人工智能等多個前沿領域展現(xiàn)出廣闊應用前景。它不僅能推動飛行器、電動車及高性能電子設備在輕量化、長續(xù)航等關鍵方向?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展，還將帶動材料、制造、裝備等上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同升級，支撐綠色能源體系構建和智能制造能力提升，服務國家“雙碳”目標、“新質(zhì)生產(chǎn)力”發(fā)展戰(zhàn)略和能源結(jié)構轉(zhuǎn)型，助力我國在全球新能源技術競爭中搶占戰(zhàn)略高地。
