中國電動汽車電池技術(shù)研發(fā)與市場現(xiàn)狀

世界各國的研究機(jī)構(gòu)都在針對未來市場需求加緊新能源電池的研究工作，如鋰硫電池、金屬（鋰、鋁、鋅）空氣電池等。這類電池的特點(diǎn)是，原材料成本低，能源消耗少，低毒，能量密度高。鋰硫電池的能量密度可達(dá)2600 Wh/kg，鋰空氣電池的能量密度可達(dá)3500 Wh/kg。

鋰硫電池

鋰硫電池已成為日本新能源汽車動力電池技術(shù)研究方向之一，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）自2009年起，每年投入300億日元（約合 24億元人民幣）的研發(fā)預(yù)算，目標(biāo)是在2020年能量密度達(dá)到500Wh/kg。美國在這方面走的更快一些，其能源部最近投入500萬美元資助鋰硫電池的研究，計(jì)劃2013年能量密度達(dá)到500Wh/kg。

國際上鋰硫電池研究的代表性廠商有美國的Sion Power、Polyplus、Moltech，英國的Oxis及韓國三星等。Polyplus的2.1Ah鋰硫電池的能量密度已達(dá)420Wh/kg或 520Wh/l。2010年7月，Sion Power應(yīng)用于美國無人駕駛飛機(jī)動力源的鋰硫電池表現(xiàn)引人注目，無人機(jī)白天靠太陽能電池充電，晚上放電提供動力，創(chuàng)造了連續(xù)飛行14天的紀(jì)錄。其能量密度和循環(huán)性能的近期目標(biāo)分別是超過500Wh/kg和500次循環(huán)。到2016年，要達(dá)到600Wh/kg和1000次循環(huán)。

在中國，天津電子18所、防化研究院、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、國防科技大學(xué)、武漢大學(xué)、北京理工大學(xué)等正在進(jìn)行鋰硫電池的研究。

研究中發(fā)現(xiàn)，由于正極活性材料的放電溶解及金屬鋰表面的不穩(wěn)定性，硫本身及其放電產(chǎn)物的電絕緣性（5x10-30S/cm）等因素的影響，導(dǎo)致鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性較差，活性材料利用率偏低。

大介孔碳正極材料

鋰硫電池的正極材料包括多孔碳，如大介孔碳、活性碳、碳凝膠等（見表1）；碳納米管、納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電高分子材料，如MWCNT、PPy、PANi/PPy等（見圖1）；以及PAN。

表1 不同孔結(jié)構(gòu)的多孔碳/硫復(fù)合材料的電化學(xué)性能

圖1 碳納米管和納米結(jié)構(gòu)聚合物硫復(fù)合材料

中國防化研究院的王維坤博士在9月16日于上海復(fù)旦大學(xué)舉行的“未來電動汽車高能電源研討會”上表示，大介孔碳可通過充填單質(zhì)硫形成寄生型碳硫復(fù)合物。利用碳的高孔容（>1.5cm3/g），保證硫的高填充量，實(shí)現(xiàn)高容量；利用碳的高表面密度（>500cm2/g）吸附放電產(chǎn)物，提高循環(huán)穩(wěn)定性；利用碳的高導(dǎo)電性（幾S/cm）改善單質(zhì)硫的電絕緣性，提高硫的利用率和電池的充放電倍率性能。
　大介孔碳的制備過程是：采用納米CaCO3作模版，酚醛樹脂作碳源，經(jīng)過碳化、CO2內(nèi)活化、HCL去模版、水洗。表面密度為1215 cm2/g，孔容為9.0 cm3/g，電導(dǎo)率為23S/cm。然后，與硫在300℃高溫下共熱，制備成LMC/S材料，其中S占70%。如圖2所示。

圖2 大介孔碳硫復(fù)合材料的制備

由于硫電極低電壓平臺的高低與電解液的粘度密切相關(guān)，粘度越大，低電壓平臺越低；電導(dǎo)率與粘度比值越高，電池的電化學(xué)性能越好。因此，電解液的優(yōu)化組成為0.65M LiTFSI/DOL+DME(體積比為1:2)。

明膠粘合劑具有良好的粘附性、分散性，在鋰硫電池電解液中不溶解、不溶漲，能促進(jìn)多硫離子在充電時完全氧化成單質(zhì)硫，可提高鋰硫電池的放電容量和循環(huán)性能。

多孔電極采用“冷凍干燥、冰晶制孔”工藝制備，可保證電解液的深層浸潤，減少因放電產(chǎn)物的覆蓋導(dǎo)致活性反應(yīng)部位的損失。

防化研究院1.7Ah鋰硫電池的能量密度為320 Wh/kg；在100%DOD放電下，循環(huán)100次，容量保持率約為75%，循環(huán)效率最高為70%。第1年自放電率約為25%，平均每月自放電率在 2~2.5%；0℃放電容量達(dá)到常溫容量的90%以上，-20℃時的容差為常溫容量的40%；過放/過充電時，電池不燃不爆，過充電時，電池鼓脹，內(nèi)部有氣泡產(chǎn)生。

王維坤表示，今后準(zhǔn)備加強(qiáng)對金屬鋰負(fù)極的研究，一方面要穩(wěn)定其表面，防止產(chǎn)生枝晶，那個面要提高其大電流放電能力，以增強(qiáng)鋰硫電池的倍率放電性能。

硫化聚丙烯晴（SPAN）正極材料

清華大學(xué)何向明教授研究出一種以硫化聚丙烯晴（SPAN）為正極材料、容量達(dá)800 mAh/g的聚合物鋰電池，鋰/硫化聚丙烯晴電池的能量密度超過240Wh/kg，且這種硫化聚丙烯晴材料具有超低成本和較低的能源消耗。另外，石墨/硫化聚丙烯晴電池將成為大型鋰蓄電池的有力候選者。

基于可逆電化學(xué)反應(yīng)的鋰蓄電池通過摻雜與去摻雜硫，硫化熱解聚丙烯晴可成為導(dǎo)電聚合物。硫化聚丙烯晴電池的容量比基于可逆電化學(xué)反應(yīng)的鋰蓄電池的容量大，特殊的充放電特性表明，硫化物電池遠(yuǎn)超鋰蓄電池機(jī)制。

何向明的研究成果顯示，當(dāng)深度放電到0V時，放電/充電容量為1502mAh/g和1271mAh/g，之后循環(huán)穩(wěn)定在1V到3V之間。在0.1V和3V之間時，循環(huán)性能穩(wěn)定，容量為1000mAh/g。

對于過充電，電壓會突然降到3.88V，之后穩(wěn)定在2V左右。過充電后，無法再繼續(xù)充電，表明電池具有過充電的內(nèi)在安全性。

充電的上限電壓是3.6V。充電電壓到3.8V時，無法再繼續(xù)充電；電壓到3.7V時，3次循環(huán)后也無法再充電。

另外，2個硫化物/鋰電池與2個鈷酸鋰/鋰電池?fù)碛袔缀跸嗤姆烹婋妷?，因此，他們之間具有良好的互換性。

這種電池的充電電壓及容量會隨著溫度的下降而提高。在60℃和-20℃時的放電容量分別為854和632mAh/g。聚合物負(fù)極工作溫度在-20℃以上。

充電電壓及容量會隨著電流密度的增加而下降。在電流密度為55.6mA/g時, 容量為792mAh/g；電流密度為667mA/g時，容量為604 mAh/g。這表明該種電池可工作在電流密度較高的狀態(tài)下。

硫化物電極在放電（嵌入鋰離子）時體積會膨脹，充電（脫鋰離子）時會收縮（見表2）。第一次放電后，正極厚度會增加約22%。金屬鋰負(fù)極和硫化物正極的厚度變化會相互補(bǔ)償，以保證電池整體厚度不會出現(xiàn)太太變化。導(dǎo)電聚合物也有同樣的特性。在EIS研究中，等效電路時的測定與擬合結(jié)果如圖3所示。