锂电距离“真正”高能电池还有多远?

现有的锂离子电池体系,其实只能算是“半个”高能电池,因为它的高比能量主要是建立在负极极低的电极电势基础之上,而目前商业化的几种过渡金属氧化物正极材料不管是工作电压还是比容量都并不明显优于水系二次电池的正极材料。因此,要想使锂电成为“真正”的高能电池仅有两条道路:提高电池工作电压或者提高正负极材料的比容量。但是由于诸多客观因素的制约,锂离子电池能量密度的提升已经接近瓶颈。

纯电动汽车大规模产业化所面临的第一大障碍就是“里程焦虑”,问题实质就是动力电池系统的能量密度问题。

现有的锂离子电池体系,其实只能算是“半个”高能电池,因为它的高比能量主要是建立在负极极低的电极电势基础之上,而目前商业化的几种过渡金属氧化物正极材料不管是工作电压还是比容量都并不明显优于水系二次电池的正极材料。

因此,要想使锂电成为“真正”的高能电池仅有两条道路:提高电池工作电压或者提高正负极材料的比容量。但是由于诸多客观因素的制约,锂离子电池能量密度的提升已经接近瓶颈。

理论计算表明,现有的接近实用化的最高容量正负极材料体系(高镍三元搭配硅碳负极)能量密度大约在300 Wh/Kg略高的水平。大型动力电池由于诸多技术指标的严格限制,在电极材料的选择、体系搭配、极片工艺和电芯结构设计等方面跟3C小电池有很大不同,这些因素使得即便是相同正负极搭配体系,大型动力电池的能量密度要比小型3C电池低不少。

也就是说,在可预见的未来,可以大规模商业化的高能锂离子动力电池系统其能量密度几乎不可能超过250Wh/Kg的水平,这个系统能量密度对于普通家庭级乘用车而言,在实际工况和负荷条件下也就是300 Km出头的续航里程。

后锂电时代(Beyond LIB)有两个耀眼的“新星”,它们就是Li-S和Li-Air电池。其实它们都老掉牙的体系,只是近些年又被重新包装热了起来。如果我们仔细分析这两个电化学体系就会发现,它们的最核心问题仍然是金属锂负极问题。

Li-S电池必须解决金属锂负极问题,否则 Li-S电池就基本上丧失了高能的优势。再加上Li-S电池独有的“多硫离子穿梭效应”,笔者并不认为Li-S电池在电动汽车上会有实际应用的可能性,未来Li-S电池在军用和野外这样一些小众的特殊领域可能会有一定的应用前景。

Li-Air电池的思路和出发点和Li-S电池并不一样,它属于空气电池的范畴。但是在笔者个人看来,金属-空气电池特别是二次金属-空气电池,实际上是把二次电池和燃料电池两者的缺点有机地结合在一起,并且放大了缺点。二次Li-Air电池涉及到的技术难题比Li-S电池更多更复杂。      

笔者个人认为,锂电的下一个突破点可能在于全固态锂离子电池,而非当前炒作得很热门的Li-S和Li-Air甚至石墨烯电池。由于采用金属锂做负极,全固态锂离子电池的能量密度相比于当前的液态锂离子电池会有较大的提升(笔者估算其实际能量密度可以达到350 Wh/kg的水平)。良好的安全性则是全固态锂离子电池的另外一大优点。

但是,由于固体电解质的离子传输特性以及固体电解质和正负极材料的界面电阻问题,决定了倍率性能必然是其短板。另外,全固态电池的循环性和温度性能仍然面临很大挑战。

笔者个人认为,全固态锂离子电池将来有可能在3C小型电子设备上获得实际应用,大型动力电池或许并不是其适用领域。根据当前国际上全固态锂离子电池的研究和发展状况,笔者并不认为在未来5-10年之内全固态锂离子电池有大规模商业化的可能性。

笔者这里要强调的是,对于上述锂电安全性和能量密度问题的认识和理解,需要具备相当的电化学专业知识以及资深的锂电生产实践,由于篇幅的限制笔者这里不再赘述。

对比锂离子动力电池和燃料电池,我们可以看到,锂离子动力电池能量密度进一步提升的空间非常有限。如果从最基本电化学原理的角度思考,这个问题并不难理解,二次电池的能量密度增加并不遵循摩尔定律。

能量密度更高的新型化学电源体系目前还都处于基础研究阶段,产业化前景依然很不明朗。相对而言,PEMFC的能量密度问题并不是很突出,即便是通过最简单的增加储氢罐数量来保证续航里程,可操作性也相对比较容易。

我们也可以从另外一个角度进行思考,二次电池必须向全密封系统发展而力求做到免维护(对锂电而言则是绝对必须),而正是因为二次电池是个密封系统,才决定了它的能量密度不可能很高。否则的话,一个密闭的高能体系在本质上跟炸弹有何区别?

从最基本的能量守恒定律就讲不通!那么从这个角度就很容易理解,锂离子电池(实际上也包含所有二次电池体系)的能量密度提升空间将是很有限的。而燃料电池则是一个开放式系统,电堆只是电化学反应场所而已,系统的能量密度主要取决于储氢系统的储氢量。

正因为是个开放体系,燃料电池在能量密度上提高的潜力更大,并且先天具有更好的安全性,这个优点恰恰是任何一种二次电池都不具备的。站在电化学器件的角度,相较于二次电池,燃料电池是化学电源的一个更高的发展层次。

从根本上来而言,包括锂离子电池在内的二次电池是一个电能存储装置,而燃料电池则是一个电能生产装置,这个最本质的差别就决定了两者在应用领域的不同定位。

燃料电池和二次电池诸多不同特点,就决定了二次电池适用于中小功率的储能用途,而燃料电池则更适合较大功率的应用。因此笔者个人认为,锂离子电池在电动汽车上的定位是辅助动力装置,HEV和PHEV以及小型纯电动车是其主要应用领域。

而PEMFC燃料电池从一开始就是作为大型动力源发展起来的,是名副其实的“动力电池”。笔者这里要强调指出的是,PEMFC燃料电池和锂离子电池两者在应用领域上并无重叠,它们在电动汽车上是相互补充的关系,而不是谁取代谁的问题。


 
 
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