中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2019年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，授予了美國科學(xué)家約翰·古迪納夫、英國科學(xué)家斯坦利·惠廷厄姆和日本科學(xué)家吉野彰，以表彰三位科學(xué)家在鋰離子電池研發(fā)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。
正是這三位鋰電池之父，帶領(lǐng)汽車產(chǎn)業(yè)敲開了新能源電動(dòng)汽車的大門。而鋰電池帶給汽車業(yè)的是從化石燃料轉(zhuǎn)至清潔能源的跨越式改變。從鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池，到磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池，以及最新前沿的全固態(tài)電池，看似遙遠(yuǎn)的諾貝爾光芒，已經(jīng)照亮了動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)。
漫漫鋰電池征程
縱觀鋰電池發(fā)展史，鋰電池在汽車領(lǐng)域的初亮相，三位科學(xué)家功不可沒。首先要提及的是英國科學(xué)家惠廷厄姆，他采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成了世界上首個(gè)新型鋰離子電池。
隨后，美國科學(xué)家古迪納夫等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價(jià)、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能，而這一材料成為了目前廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的鋰電池正極材料。繼惠廷厄姆發(fā)明了可充電鋰電池后，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，古迪納夫發(fā)現(xiàn)了比先前的硫化鈦更適合做鋰電子電池陰極的材料——層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰。
而日本科學(xué)家吉野彰則在古迪納夫的研究基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了更適合的含鋰化合物陽極材料，確立了現(xiàn)代鋰電池的基本框架。吉野彰設(shè)計(jì)的鋰離子電池以碳基材料為陽極，以鈷酸鋰為陰極，完全去除電池中的金屬鋰，采用了含鋰化合物，提高了安全性。1991年，兩人合作發(fā)明的鋰離子電池被索尼公司推向市場(chǎng)，標(biāo)志著鋰離子電池的大規(guī)模使用。根據(jù)正極材料的不同，這種鋰離子電池被稱之為“鈷酸鋰電池”。
作為鋰電池的鼻祖，鈷酸鋰電池作為動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用并不多。最早用于特斯拉Roadster上，但由于其循環(huán)壽命和安全性都較低，事實(shí)證明其并不適用作為動(dòng)力電池。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，特斯拉運(yùn)用了號(hào)稱世界上最頂尖的電池管理系統(tǒng)來保證電池的穩(wěn)定性，但仍無法擺脫安全性的問題，尤其是在劇烈撞擊之下。穩(wěn)定性和成本問題阻礙著鈷酸鋰電池的普及，使其只能應(yīng)用于日常3C產(chǎn)品之中。
隨后，新能源電動(dòng)汽車也經(jīng)歷過錳酸鋰電池時(shí)代，該電池由日本AESC提出，最早應(yīng)用于日產(chǎn)聆風(fēng)之上，價(jià)格低，能量密度中等，安全性也一般的性能，讓其逐步被新的技術(shù)所替代。
磷酸鐵鋰電池的問世，才算是真正意義上改變動(dòng)力電池生產(chǎn)和使用現(xiàn)狀。相較于鈷酸鋰的層狀不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，磷酸鐵鋰電池的空間骨架結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，鋰離子在骨架的通道中也能快速移動(dòng)。同時(shí)，更為廉價(jià)的原材料價(jià)格，也讓磷酸鐵鋰制造成本更低。
盡管磷酸鐵鋰電池至今仍經(jīng)久不衰，但其能量密度較低也是不爭的事實(shí)。因此，盡管其具有高安全性，但其能量密度低會(huì)導(dǎo)致其裝機(jī)電池重量大，目前更多的是應(yīng)用于新能源客車領(lǐng)域。
但2016年以來，三元鋰電池開始進(jìn)入人們的視野。三元鋰電池指的是陽極材料使用鎳鈷錳三種材料按一定比例混合搭配的鋰電池，根據(jù)材料配比的不同分為不同型號(hào)，也因此具備了更多的研究拓展方向。
在能量密度方面，三元鋰電池明顯地優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。而且由于研究尚處于開始階段，能量密度的提升甚至技術(shù)的突破可能更多，因此，三元鋰電池成為更多廠商的選擇。目前，主流的動(dòng)力電池制造商三星、LG化學(xué)、寧德時(shí)代等都將其作為主攻方向之一。
就目前的國內(nèi)市場(chǎng)而言，三元鋰電池雖然興起較晚，但作為最新最熱門的動(dòng)力電池選擇，裝機(jī)量仍不斷增長。高工產(chǎn)業(yè)研究院(GGII)最新發(fā)布的《動(dòng)力電池月度數(shù)據(jù)庫》統(tǒng)計(jì)顯示，2019年1-8月國內(nèi)動(dòng)力電池裝機(jī)量約38.4GWh，同比增長66%。其中，前8月三元鋰電池裝機(jī)電量約為25GWh,同比增長85%；磷酸鐵鋰電池在新能源客車和專用車中裝機(jī)量比較大，逐步回暖。
熱失控難以規(guī)避？
但隨著電動(dòng)汽車的興起，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其問題顯現(xiàn)得也更快。
自燃問題首當(dāng)其沖，熱失控成為電動(dòng)汽車企業(yè)尤其是動(dòng)力電池生產(chǎn)商最為困擾的問題。有研究表明，熱失控是引發(fā)電動(dòng)汽車自燃的主要原因之一。在“第三屆國際電池安全研討會(huì)(2019IBSW)”上，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高表示，導(dǎo)致熱失控的原因中，正極釋氧、負(fù)極析鋰、隔膜崩潰是三個(gè)主要原因。
理論上講，除了機(jī)械碰撞、充電過充等操作問題，正極和負(fù)極結(jié)合的時(shí)候，負(fù)極被氧化，正極釋氧與負(fù)極反應(yīng)劇烈放熱，也可能導(dǎo)致熱失控。而隨著隔膜性能的不斷增強(qiáng)、正極三元材料鎳含量不斷提高、釋氧溫度不斷下降，正極材料熱穩(wěn)定性也會(huì)隨之降低。
此外，歐陽明高表示，全生命周期安全性中最主要的影響因素就是析鋰，如果沒有析鋰衰減，電池安全性并不會(huì)變差。同樣是析鋰，析鋰的多少導(dǎo)致的結(jié)果明顯不一樣，析鋰多的放熱量大，析出鋰會(huì)直接跟電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)，引發(fā)大量溫升，將直接誘發(fā)熱失控。
一位從事鋰電池研究的工程師10月10日在接受新京報(bào)記者采訪時(shí)表示，如果鋰離子在析出的過程中不能完全嵌入陰極材料，使得部分鋰沉積在陰極材料表面，形成尖銳的峰狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步發(fā)展就容易刺穿隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短接，進(jìn)而熱失控引發(fā)燃燒爆炸。
古迪納夫曾在2017年2月接受訪談時(shí)表示，對(duì)于電動(dòng)汽車中的鋰離子電池而言，問題就在于它使用的易燃性電解液，除了易燃性外，當(dāng)金屬鋰和鹽析出形成枝晶之后，很容易刺穿隔膜導(dǎo)致內(nèi)部短路，引發(fā)燃燒；同時(shí)，鋰離子電池保持長壽命的工作電壓很有限。
古迪納夫認(rèn)為，鋰離子電池的安全問題目前還是比較明顯，過度充電等問題很容易造成鋰離子電池的安全性出現(xiàn)問題。此外，管理好電池也是電動(dòng)汽車使用時(shí)的一大筆支出。
全固態(tài)電池時(shí)代即將來臨
吉野彰認(rèn)為，鋰電池未來應(yīng)用于電動(dòng)汽車等勢(shì)必會(huì)有更多進(jìn)展，如果將鋰電池應(yīng)用于新用途、新領(lǐng)域時(shí)，必須進(jìn)行技術(shù)改良，但關(guān)于鋰電池還有很多未知事項(xiàng)。
古迪納夫正在進(jìn)行的全固態(tài)電池研究，便是對(duì)鋰電池未知事項(xiàng)的探尋。
全固態(tài)電池將原先的液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)換成一種全新的固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電解質(zhì)不僅能夠保證原有的儲(chǔ)電性能，還能防止枝晶問題的產(chǎn)生，而且更安全，更廉價(jià)。目前困擾鋰電池的安全問題都將因?yàn)槿虘B(tài)電池的出現(xiàn)而改善或解決。
在固態(tài)電解質(zhì)選擇上，葡萄牙物理學(xué)家布拉加為其提供了一種具有良好的鋰離子傳導(dǎo)能力的玻璃，古迪納夫立即將這種玻璃引入到全固態(tài)電池的研發(fā)中。
目前，全固態(tài)電池的研發(fā)已初露端倪，相關(guān)成果已經(jīng)在多個(gè)權(quán)威刊物上得以展現(xiàn)。鋰離子電池甚至是動(dòng)力電池的未來正在被這位97歲的科學(xué)家所改變著。
國內(nèi)方面，寧德時(shí)代在聚合物和硫化物基固態(tài)電池方向分別開展了相關(guān)的研發(fā)工作并取得了初步進(jìn)展；國軒高科已在日本研究院開展相應(yīng)固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)。而萬向一二三和材料公司Ionic Materials對(duì)外宣布，共同開發(fā)出一款具有高能量密度、高安全且不使用易燃液體電解質(zhì)的電池。此外，贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料所合作共建的“固體電解質(zhì)材料工程中心”也已經(jīng)在全固態(tài)電池?zé)o鋰征集研究方面取得進(jìn)展。
國外方面，由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)牽頭投資100億日元，豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家日本汽車、電池和材料企業(yè)，以及京都大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等15家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)將共同參與研究，計(jì)劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)。
而固態(tài)電池作為動(dòng)力電池未來的發(fā)展方向，盡管技術(shù)層面已經(jīng)取得一定程度的突破，但目前的生產(chǎn)制備成熟度還需要加強(qiáng)，規(guī)模化、自動(dòng)化的生產(chǎn)線還需要進(jìn)一步研發(fā)，距離產(chǎn)業(yè)商業(yè)化還有一定的距離。
有業(yè)內(nèi)人士分析認(rèn)為，目前產(chǎn)業(yè)布局才剛剛開始，要想真正實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)預(yù)計(jì)在2020年以后，大規(guī)模應(yīng)用則需要更長的時(shí)間。
