伯克利实验室推新型Li/S电池技术,或能消除电动汽车“续航焦虑”

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之前我们报道了麻省理工的科研人员,利用一种叫做M13的病毒来增加锂离子-空气电池的反应面积,增大电池的能量密度,可让电动汽车续航提升至550公里。现在,美国伯克利国家实验室提出了另外一种解决方案,能在现役的锂离子电池基础上增加两倍的能量密度,同时在一定程度上提升电池寿命。

伯克利实验室所提出的解决方案是,在锂离子电池中,用一种硫氧化石墨烯(S-GO)制成的纳米复合材料作为阴极反应物。使其放电效率高达6C(1C = 1.675 A/g硫元素),充电效率高达3C,同时还能确保较高的能量密度(6C时可达800 mA·h/g硫)。此外,电池的完整循环充放电次数能超过1500次,单次衰退率只有0.039%。这可能是目前为止,锂离子-硫电池所能实现的最好水平。

1500次完整循环充放电如何理解?大家可以想一下,如果一台电动汽车每天都进行一次完整的从0至100%的充放电循环的话,那么1500次足够支持4年左右。也就说,这台电动汽车的电池在使用4年后就必须更换。而常用的锂电池中,钴酸锂的循环次数可达500次左右,而磷酸锂也只能达到1000次左右。也就是说,随着充放电次数的不断增加,锂离子电池的容量在不断“衰退”。这其实跟使用次数没有太大关系,造成衰退的主要原因是温度。

所以,在日常使用电动汽车的时候,电池的电量并不会充满100%;多是保持在40%-60%这个水平上。一是避免完整的充放电缩减寿命,二是在各种温度下降低衰退率,三就是为电动汽车的能量制动回收留下空间。所以,像是Model S这类采用钴酸锂电池的车型,在设计之初就考虑到了电池组的拆卸情形。

据悉,这种新型的锂离子-硫电池的单电池结构(Cell-level),能量密度可以达到500 W·h/kg,比当前的锂离子电池的密度(~200 W·h/kg)高出两倍多。即便在经过1500多次完整充放电后,其电量容量依然可以保持较高水平(740 mA·h/g硫)。如果要实现目前汽油车辆300英里(约480公里)的续航,那么单电池结构的能量密度就必须要到达350至400W·h/kg。所以这种新型Li/S电池的能量密度理论上完全可以满足这一需求。

不过,伯克利实验室的新构想依然面临着巨大的挑战,那就是电池的寿命。尽管能实现1500次的完整循环充放电,但从实用性和经济性的角度讲,这还远远不够。原因是,在放电过程中,锂离子的多硫化物容易从阴极消融,与锂阳极发生化学反应生成Li2S,从而形成一个反应屏障。这就是为什么在经过几次充放电后,电池的容量开始减少。

目前在电动汽车动力电池领域,锂离子电池已经取代了传统的镍氢电池成为市场新宠,它的能量密度高、输出功率大,并且冲、放电速度快。我们常见的,无论是钴酸锂电池还是磷酸铁锂电池,都是锂离子电池的一种。尽管如此,当前流行的锂离子电池仍然存在几大挑战,如稳定性较差、容量易衰退,以及能量密度依然不及汽油燃料。

这些限制造成了电动汽车用车中所谓的“续航焦虑”(Range Anxiety)。对于电动汽车的普及来说,这并不是个小问题。尤其是没有汽油机作为备用动力的纯电动汽车。之前Elon Musk驾驶Model S横跨美国,也是为了进一步打消市场对Tesla电动汽车的续航能力质疑。目前,伯克利国家实验室正在寻求合作伙伴,来进一步解决Li/S电池的寿命问题。其中,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所也参与该技术的研究。

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