羅乾城

摘 要：在2015年4月6日，美國(guó)斯坦福大學(xué)戴宏杰教授團(tuán)隊(duì)在正式提出新能源汽車動(dòng)力電池之后，就得到社會(huì)大眾高度關(guān)注?，F(xiàn)階段，戴宏杰教授小組的研究結(jié)果在美國(guó)獲得專利保護(hù)，同時(shí)多家國(guó)際化企業(yè)也相繼希望買斷該技術(shù)。雖然新能源汽車動(dòng)力電池還沒(méi)有成熟，但是其依舊憑借低廉原材料與良好循環(huán)性能，讓人們確信其必然成為主要化學(xué)電池。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動(dòng)力電池；循環(huán)性能

1 新能源汽車動(dòng)力電池研究背景

在過(guò)去十多年時(shí)間內(nèi)，全球范圍內(nèi)化石燃料消耗量不斷增加，溫度效應(yīng)現(xiàn)象越加明顯，PM2.5濃度不斷增加，新能源受到了公眾的高度關(guān)注。[1]因此，研究人員相繼將研究重點(diǎn)放在可再生綠色能源研發(fā)上，如水能、風(fēng)能等。因?yàn)閭鹘y(tǒng)綠色可再生能源在空間與時(shí)間分布上存在一定偏差，進(jìn)而在實(shí)際應(yīng)用內(nèi)需要配備高效能量?jī)?chǔ)存裝置。在上世紀(jì)90年代之后，鋰鈷酸鋰離子為陽(yáng)極，石墨為陰極，在社會(huì)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，但是也逐漸顯示出一些問(wèn)題，例如成本昂貴、安全性能低下等。除此之外，新能源汽車動(dòng)力電池在制備過(guò)程中所需要應(yīng)用到的鋰離子資源屬于不可再生能源，地殼中儲(chǔ)存的鋰量有限，分布不均。這也限制新能源汽車動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車與智能電網(wǎng)內(nèi)應(yīng)用。[2]

鋰離子在應(yīng)用十多年時(shí)間之后，隨著其應(yīng)用范圍與生產(chǎn)數(shù)量不斷增加，造成鋰資源銷售價(jià)格持續(xù)增加。就可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略角度而言，使用地球內(nèi)儲(chǔ)存更加豐富的資源研發(fā)化學(xué)電池體系，降低化學(xué)電池經(jīng)濟(jì)成本，延長(zhǎng)化學(xué)電池可循環(huán)壽命，提高化學(xué)電池安全性能，已經(jīng)成為化學(xué)電池今后必然發(fā)展趨勢(shì)。所以，二次電池也成為研究人員的研究熱點(diǎn)，尤其是和鋰離子點(diǎn)化學(xué)性質(zhì)比較相似的鈉離子，其化學(xué)電池在研發(fā)上具有新能源汽車動(dòng)力電池經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)作為進(jìn)行參考。[3]而現(xiàn)階段需要特別注意的是，不管是鈉離子電池還是其他類型電池，其可循環(huán)性能與充放電容性能并未達(dá)到預(yù)期效果，進(jìn)而尚不能與新能源汽車動(dòng)力電池進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。

2 新能源汽車動(dòng)力電池原理與優(yōu)劣分析

2.1 新能源汽車動(dòng)力電池原理

新能源作為地殼內(nèi)金屬儲(chǔ)存量之首，其可開(kāi)采含量大約為鋰資源1000倍，同時(shí)以新能源作為電池載體，可以有效降低新能源生產(chǎn)成本。在之前三十多年時(shí)間內(nèi)，人們始終對(duì)新能源進(jìn)行研究，但是所取得的研究成果數(shù)量十分有限。在1988年美國(guó)新澤西州某公司就對(duì)可充放電新能源汽車動(dòng)力電池進(jìn)行過(guò)報(bào)道，但是由于當(dāng)時(shí)所使用的陰極材料容易分解，進(jìn)而并未得到社會(huì)大眾關(guān)注。2011年，美國(guó)Archer教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)也對(duì)可充放電新能源汽車動(dòng)力電池進(jìn)行過(guò)報(bào)道，但是由于該新能源汽車動(dòng)力電池放電電壓等級(jí)較低，進(jìn)而所取得的成果也并不理想。正是由于這些問(wèn)題存在，新能源汽車動(dòng)力電池早期研究十分艱難。截止到目前為止，新能源汽車動(dòng)力電池有關(guān)專研究依舊將鋁看作一次性金屬燃料，尚未實(shí)現(xiàn)充放電循環(huán)。但是在斯坦福團(tuán)隊(duì)對(duì)新能源所做出的報(bào)道內(nèi)，在新能源汽車動(dòng)力電池循環(huán)性能與材料上取得了較大突破。

新能源車輛的動(dòng)力電池如圖1所示，其以金屬鋁作為負(fù)極，以三維泡沫石墨烯作為正極，以四氯化鋁陰離子作為電解液，在常溫狀態(tài)下可以完成電池可逆充放電。但是石墨烯材料屬于層狀結(jié)構(gòu)，其可以像鋰陽(yáng)離子容納其他陽(yáng)離子一樣，容納四氯化鋁陰離子，這也是新能源汽車動(dòng)力電池可以高效穩(wěn)定運(yùn)行前提條件。當(dāng)新能源汽車動(dòng)力電池放電時(shí)，四氯化鋁陰離子可以從石墨烯正極脫離出來(lái)，然后和金屬鋁出現(xiàn)發(fā)生負(fù)極反應(yīng)，形成Al3Cl7-。當(dāng)新能源汽車動(dòng)力電池放電時(shí)，上述反應(yīng)將發(fā)生逆轉(zhuǎn)，進(jìn)而讓新能源汽車動(dòng)力電池可以完成充放電循環(huán)。[4]

2.2 新能源汽車動(dòng)力電池優(yōu)勢(shì)

本文所分析的新能源汽車動(dòng)力電池與常規(guī)二次電池相比較，其具有一定顯著優(yōu)勢(shì)，具體主要表現(xiàn)在以下幾方面：

2.2.1 快速充放電特性與超長(zhǎng)循環(huán)壽命

斯坦福團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)研究之后發(fā)現(xiàn)，負(fù)極電池采用三維泡沫石墨烯，可以借助其良好導(dǎo)電性能與表面積，有效縮短專新能源汽車動(dòng)力電池充放電時(shí)間，同時(shí)提升新能源汽車動(dòng)力電池循環(huán)性能。如，新能源汽車動(dòng)力電池在5000mAh/g電流狀態(tài)下，電池在一分鐘之內(nèi)就可以充滿。同時(shí)，新能源汽車經(jīng)過(guò)7500次循環(huán)后的電池充放電，電池容量基本不會(huì)變化。7500次循環(huán)也就表示專要是每天進(jìn)行一次充放電，新能源汽車動(dòng)力電池在20年之后依舊可以完好應(yīng)用，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人們對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池充放電1000次壽命預(yù)期。[5]

2.2.2 安全性突出

新能源汽車動(dòng)力電池應(yīng)用致命問(wèn)題就是安全性能較差。新能源汽車動(dòng)力電池和新能源汽車動(dòng)力電池是不同的，本文新能源汽車動(dòng)力電池專采取離子液體作文電解液，進(jìn)而在實(shí)際應(yīng)用內(nèi)并不存在易燃易爆安全問(wèn)題。在斯坦福大學(xué)研究小組播放的視頻中，該團(tuán)隊(duì)成員使用電鉆鉆入正在應(yīng)用的新能源汽車動(dòng)力電池，電池依舊可以正常運(yùn)行，并未出現(xiàn)燃燒問(wèn)題。除此之外，新能源汽車動(dòng)力電池原材料獲取更加方便，經(jīng)濟(jì)成本低廉，雖然三維泡沫石墨烯當(dāng)前經(jīng)濟(jì)成本較高，但是在不遠(yuǎn)將來(lái)，隨著新能源汽車動(dòng)力電池生產(chǎn)規(guī)模與應(yīng)用范圍更加廣泛，生產(chǎn)成本也將大大降低。

2.3 新能源汽車動(dòng)力電池缺點(diǎn)

雖然新能源汽車動(dòng)力電池在實(shí)際應(yīng)用內(nèi)具有上述優(yōu)勢(shì)，但是也存在一定缺點(diǎn)。當(dāng)前，新能源汽車動(dòng)力電池只能夠釋放2V電壓，電壓等級(jí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于3.6V電壓等級(jí)的新能源汽車動(dòng)力電池。僅對(duì)電池活性物質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，新能源汽車動(dòng)力電池能量密度的活性物質(zhì)只有40 wh /公斤，活性物質(zhì)能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原有新能源汽車動(dòng)力電池100Wh/kg。[6]

要是從電池能量密度與工作電壓角度來(lái)說(shuō)，本文所提出的新能源汽車動(dòng)力電池更加與人們所了解到的鉛酸電池與堿性電池等水相電池相似，和現(xiàn)在正在研究的鈉離子電池還存在較大差距，更加不要說(shuō)現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的新能源汽車動(dòng)力電池。除此之外，新能源汽車動(dòng)力電池在運(yùn)行內(nèi)還需要成本相對(duì)昂貴的離子液體電解液，新型能源汽車動(dòng)力電池成本較高。

3 新能源汽車動(dòng)力電池應(yīng)用注意事項(xiàng)

作為最適合便攜式設(shè)備的充電電池，新能源汽車動(dòng)力電池的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大。隨著移動(dòng)設(shè)備的多樣化，其重要性在未來(lái)將變得越來(lái)越重要。為了今后的進(jìn)一步發(fā)展，我們必須注意以下幾點(diǎn)：

3.1 降低材料開(kāi)發(fā)成本

特別是，有必要減少正極材料鈷酸鋰，隔板，電解液的成本，陽(yáng)極碳材料。人們正在嘗試使用鎳（LiNiO 2）和錳（LiMn2O4）作為正極活性材料。

3.2 在重量能量密度方面

新能源汽車動(dòng)力電池雖然保持了其優(yōu)勢(shì)，但鎳氫二次電池的體積能量密度正在提高。為了保持新能源汽車動(dòng)力電池的優(yōu)勢(shì)，有必要繼續(xù)提高其容量。從這個(gè)角度看，硬碳負(fù)極材料包含的可能性大，非常希望。

4 新能源汽車動(dòng)力電池未來(lái)展望

雖然當(dāng)前對(duì)新能源研究?jī)H僅為一個(gè)初步分析，但是這也為今后新能源汽車動(dòng)力電池分析研究吹響了號(hào)角，今后新能源汽車動(dòng)力電池研究工作非常容易就集中在大內(nèi)存容量與高運(yùn)行電壓的正極材料上面，進(jìn)而最大程度提升新能源汽車動(dòng)力電池工作電壓與功率密度，同時(shí)積極探索成本更加低廉的電解液也是新能源汽車動(dòng)力電池今后在研究分析上重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題。要是新能源汽車動(dòng)力電池現(xiàn)在所存在的這些問(wèn)題都能夠得到有效解決，同時(shí)與其他技術(shù)指標(biāo)相結(jié)合，其經(jīng)濟(jì)成本與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加顯著，新能源汽車動(dòng)力電池這種安全、充放電靈活、可循環(huán)使用、低廉的化學(xué)電池必然將會(huì)在人們?nèi)粘Ｉ顑?nèi)普及。需要特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，因?yàn)樾履茉醋陨硖卣?，其無(wú)法在高能量密度行業(yè)內(nèi)應(yīng)用，進(jìn)而無(wú)法和新能源汽車動(dòng)力電池之間形成直接競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。相反，新能源汽車動(dòng)力電池會(huì)憑借良好安全性能、可循環(huán)壽命與低廉經(jīng)濟(jì)成本讓其在大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。不管新能源研究是否取得成功，新能源汽車動(dòng)力電池的產(chǎn)生為人們提供了一種新的可能性。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹文卓，汪君洋，陳汝頌，索鎏敏，李泓.多電子轉(zhuǎn)移鎂/鋁電池體系能量密度熱力學(xué)計(jì)算[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2018，7（03）：437-449.

[2]國(guó)內(nèi)首個(gè)新能源汽車動(dòng)力電池或在大亞灣誕生[J].鋁加工，2017（04）：9.

[3]谷思辰. AlCl_3/[BMIM]Cl離子液體電解液對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池性能的影響[A]. 中國(guó)化學(xué)會(huì).中國(guó)化學(xué)會(huì)第30屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集-第三十分會(huì)：化學(xué)電源[C].中國(guó)化學(xué)會(huì)：，2016：1.

[4]鄭進(jìn).泡沫石墨在新能源汽車動(dòng)力電池中的應(yīng)用研究[J].化工管理，2016（01）：220.

[5]本刊編輯部.電池的革命性變化——快速充放電新能源汽車動(dòng)力電池誕生[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（05）：3-4.

[6]賈磊.斯坦福大學(xué)成功研發(fā)新能源充電電池[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2015，47（05）：47.