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產業觀察 | 如何篩選靠譜的鋰離子電池技術

產業觀察 | 如何篩選靠譜的鋰離子電池技術

近年來,電動汽車、新能源已然成為重要的發展方向,電池可以稱之為該領域的核心技術。與此同時,市場上也存在諸多與電池相關新聞,「X分鐘X秒鐘充滿電,續航1000公里」等訊息令大眾驚奇不已。然而,從專業角度來看,我們需要慎重對待這些新奇新聞。

雖然電池技術在近幾年確有進步,但其性能似乎距大眾期望尚遠:電動汽車所用動力電池容量確有上升,然其續航里程卻不能令人滿意;手機方面,三星只是適度的提升其電池能量密度,加之一些管理、設計上的問題,NOTE7便遭遇了「滑鐵盧」。儘管在社會上,電池已經成為大家寄以厚望的熱點,但我們必須理性地意識到:電池進步雖有很多種可能性,但選出一條可行的路並且把它走通(產業化以服務社會)卻並不容易,因為選擇和研發都需要投入很多的精力。因此就目前鋰電池行業和廣大社會期望而言:大眾所期望的快速運轉儘早實用的心態固然可以理解,但在產業實際中並不可取。因此謹慎選擇和篩選鋰電池技術十分重要!

眾所周知,鋰離子電池具有良好的綜合性能,是消費電子、電動汽車甚至儲能行業的主力軍,近年來社會及專業人士對其期望值也很高。目前,市場上存在多種鋰電池技術,這在某種程度上極大地吸引了投資人、各地政府的注意力。但值得注意之是:這些技術整體來說良莠不齊,不乏以下情況:有些包裝很好,實際技術先進性卻是大大的問號。

在此背景下,筆者特在此介紹一些篩選鋰離子電池的基本常識,以便向廣大普通群眾進行科普與知識宣傳。

一、什麼是鋰離子電池?其工作原理為何?

鋰離子電池是一種二次電池(即可反覆充放電的電池),它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+(鋰離子)在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌,因為鋰離子在正極和負極材料中儲存時能量不同,而該能量差就是鋰電池能存儲/釋放的電量:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處於富鋰狀態,正極處於脫鋰狀態;放電時則相反。下圖就是鋰離子電池工作的典型示意圖,其使用的反應體系為最經典的鈷酸鋰正極-石墨負極。

鈷酸鋰正極-石墨負極體系的鋰離子電池工作示意圖

在該電池中,以充電過程為例正負極的具體反應如下:

LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi+xe-

6C+xLi+xe-=LixC6

因為材料本體的性質局限,在正極的反應過程中,鈷酸鋰一般情況下只能脫出0.5個鋰離子,再多則會導致結構坍塌損壞,因此一般情況下鈷酸鋰的理論容量上限只有140mAh/g左右,而負極石墨的理論密度為360mAh/g。再加上鈷酸鋰的放電的平均電壓為3.7V(實際上是從4.2的充滿電最高電壓逐漸下降到3V左右,3.7為平均值),同時,考慮到石墨負極很低的電位值,以及電池中各種其它元件的佔比,最後可以得到我們用的鋰電池(例:手機)的能量密度大約是160Wh/kg左右。

能量密度對於各種電池都是最為基礎的核心參數,必須而且應該是公開透明數據。然目前常用鋰離子電池中,由於取決材料、技術體系不同,能量密度可以從幾十(比如鈦酸鋰)到200Wh/kg左右。一旦這個數值極高(或極低),就值得重點關注了:一方面,在技術人員的努力下,做出了較高的能量密度,可能技術上有突破,值得慶祝;另一方面,不排除有部分人士商家存在性能誇大現象。如果能量密度數據不輕易標出,則消費者購買/投資人投資前就需謹慎思考(因為謹慎推測:不願意標註的多半是因為該性能不佳)。電池的基礎是電化學科學,而對於這一領域,有一個樸素但是最為基本的原理:任何一種電池,其存儲能量的機理均需寫出一個相應的電化反應方程式,如此才能知道其電壓情況,判斷其理論極限能量密度等,而且這些對於電池而言都只是最基本信息。不論此電池技術有多新(或只是相關人士所說的新),其原理都必須能寫成化學方程式,落實在紙面上,如此才可以經得起學界常識的檢驗。筆者近來有友被推銷一種電池,然而推銷人士卻對最基本電池反應原理三緘其口,因為「怕泄密」,同時說出一些違反電化學基本常識的理論,因此購買與採用該技術前還是建議要做仔細調研,謹慎行事。就電池而言,電化學反應機理是最基本信息,需要公開透明,而且這還僅僅是第一步。電池工程技術真正的壁壘在於對材料、整體結構以及工藝的優化。即使基礎原理清楚,還需考慮實現難度,新技術工程化的艱辛是遠超出很多人想像,。近幾十年來工業取得如此大成就得益於技術人員的辛勤積累,不懈堅持與嚴謹鑽研。的電池工業能有目前的成就,同樣離不開腳踏實地的實幹精神和在工業工程化中的辛勤探索。

故而請允許筆者再次引申,此前對「石墨烯(基)(鋰離子)電池」、「石墨烯增強(鋰離子)電池」「石墨烯輔助(鋰離子)電池」的質疑已有諸多分析(只限於鋰電池,並沒有涉及鉛酸等其它技術),見文:《希望還是噱頭?評「石墨烯電池」系列技術》。

http://mp.weixin.qq.com/s?src=3&timestamp=1484357203&ver=1&signature=Q3xsdV3QE4uGnToPcw0rH9jTgzDsIpsfWHvCs4nF*7L9fhG-6OWHrh2dMCm4rbofhzNAvTOpgU1dTkKBl*So-oLINakRgVz*fHgIxEpuW8*IqIb*f8UojVblBtFU*LJU7Hrv5poeTvdFku4ByKDvnw==)

在此再次強調:石墨烯用於鋰電池,只能做負極活性材料和導電添加劑。做負極材料其成本高,體積密度低,首次效率極低,使用中會產生結構變化(Re-stacking),成本頗高,基本無可能性;而當作導電添加劑,其與其它碳系材料兄弟競爭,並無明顯優勢,又面臨工程中分散等一系列實際問題。實際上,現今市場中各種石墨烯電池技術,幾乎很少有人願意將自己電化學反應方程式明確公開地寫出,從而讓同行站在科學的角度去檢驗。其中緣由,值得思考。

此外,近來科研界AdvancedMaterials發表了一篇長綜述文,認真分析了為什麼近幾年石墨烯用於電池中進步貢獻不大。原地址為:。目前有專業人士正在將其翻譯成中文,如若有興趣歡迎訪問相關鏈接,地址為:

相比之下,許多新一點——例如鋁、鎂等電池,在不談論技術可靠性之外,其反應機理確實存在,因此至少還存在進一步討論分析這種技術的空間。

二、起名很重要——就名字關注是否具有可靠性

起名很重要——擁有朗朗上口名字的技術,利於被記憶與傳播。市場中存在諸多的「石墨烯電池」均按照此方式傳播,主要優點其實也是便於記憶。相比之下三元鋰電池、硅負極電池就顯得較為稀鬆平常。加強傳播性固然重要,但如若該名字喧賓奪主,掩蓋或者扭曲自己真正核心和競爭力的技術,那就在一定程度上有名不副實的問題。實際上,鋰電池命名在行業內一般都有通用規則的,在這裡可作簡單介紹:

1)以最主要的組元來命名,由於鋰電池中正極材料往往是鋰電池中能量密度最重要的決定環節,因此以其命名情況最多。比如磷酸鐵鋰電池、三元電池、鈷酸鋰電池等。隨著近年來的技術發展,一些高性能的負極材料已經登場或正在登場,因此鈦酸鋰電池、包括以後的硅負極(電池)命名也是合理的。同理,此原則相較其它體系的電池也適用,比如鎳氫、鉛酸等,幾乎是電池名就可以初步概括核心反應。在這裡我們需要強調:加了一點石墨烯的鋰離子電池不可以稱之為石墨烯電池,加了一點石墨烯的鋰空氣電池也不能稱作石墨烯電池。這就如同加了味精的魚香肉絲還是只被視為魚香肉絲一樣。當然,如果加入石墨烯確實強化了性能,那麼所強化的性能是需要舉證效果的,如此才能令科研與工業界信服。

2)以反應機理/特點來命名,最為典型的是液流電池。液流電池是以液態存在的正負極物質,用隔膜分隔在不同腔體中,利用泵將其輸送到隔膜界面處進行電化學發應,實現電能存儲或釋放的電池。就通俗視角來看,可以理解為液流電池就是幾個化工用的罐子,通過泵將反應液體輸送到界面處反應,實現電流存放。這樣的電池能量密度很低,只有幾十Wh/kg,僅適合於工業固定儲能,幾乎無法使用在汽車上。因為液流電池中釩體系相對成熟,有時也會稱之為釩電池。此前一則新聞表示,「釩」電池使用在汽車上,市場規模萬億,續航里程N公里。就專業角度而言,該訊息存在虛假之嫌。當然,筆者沒有否定釩液流電池之意:這類電池壽命長,因此在場地條件寬鬆的儲能應用場景會有自己獨特的優勢。

初步小結:電池或以主要組元命名,或以反應機理和特點命名,簡言之,必須是以其最為核心的組成部分或是其最有代表性的特點來命名。一旦脫離了此類原則命名方式,背後就有可能暗藏玄機:也許存在借時下流行概念加工包裝之意,也許可能是對其技術實質的一種掩蓋。因此筆者建議大眾,當見到一些專業而時尚的電池名字時,需要慧眼如炬,從命名開始刨根問底。

三、報喜不報憂的宣傳手法,你應該注意什麼?

近來,諸多電池在其宣傳材料中誇大事實,例如「充一次電工作兩天,能量密度1000Wh/kg,性能提高了50%,壽命X年」等,普通人可能很容易輕易相信。但實踐檢驗之後很多人或許會發現,此類電池技術實際運用起來卻並沒有廣告語中說的那樣神奇。那麼如何從根源上篩選電池?

簡單判據:許多企業宣傳自己,推崇報喜不報優,即10個非常重要的核心性能只標註5個,孰不知另外的5個性能可能還不如行業平均值——。對於任何一款工程應用的技術而言,產品的各方面性能都應該達到基本的及格線,否則無法實際使用。因此如果做出的電池某個性能確實很好,企業一定會積極報道,但如果不主動標註,則很有可能該性能做的還不夠優質。

因此建議對電池在實用中的每一個可能涉及到的性能都要進行深究。如果技術提供商對這些性能推諉不透露,則該方面的特性很有可能存在短板。筆者認為,尤其需要關注一種電池重點宣傳的性能相對對立方面的性能,比如快充電池需知曉其能量密度,能量型電池需知曉其功率密度、壽命,尤其是體積相關的密度參數,如此或將降低買到不符實產品概率,最差也能與其討價還價一番。

以一家代表電池企業產品實際的規格為例:

由圖可知,該規格表中信息很全,電池的容量、功率、內阻,尺寸等信息都已給出。而一般而言,一款電池產品,一般都要介紹其質量能量密度、體積能量密度、質量功率密度、體積功率密度,壽命、電壓、成本(價格信息可能不會放在宣傳冊中)、適用環境、安全性。在這裡要強調一下:1)體積能量密度非常重要,同樣質量、能量的一塊電池,如果體積特別大,完全塞不進入實際的服役空間中去的話,也是無法使用的。而手機恰恰是因為體積空間小,因此採用的更多的是體積能量密度最高的鈷酸鋰電池。2)功率密度通俗來講,就是快充相關的特性,此處需強調,筆者認為電池本體性能是否足夠好,對快充的貢獻佔比一半以上,相比之下電控等環節要稍微小一些。功率密度與快充的分析見前文:《光說幾分鐘充滿,其它性能都不說的快充技術,都是耍流氓》,https://zhuanlan.zhihu.com/p/21703050?refer=liugwtiger

四、甄別兩種宣傳策略

其一:「性能提升XX%」。這個可以說有意義,但也可以說沒有意義,因為提升對比參照物的解釋權是在廠家手裡——廠家可以製作一個性能很差沒做好的樣品作對照樣品——科研人員對此流程非常熟悉。因此關鍵不在於廠家的提升相對幅度,而在於其性能的絕對值——例如XX強化磷酸鐵鋰電池能量密度提升35%——可以實際求證,基礎/提升后的能量密度數值到底分別是多少?100Wh/kg?130Wh/kg?。

其二:「續航多少公里、待機X天」。這是科學上不太嚴謹的表達方式,建議大眾不要輕信此類數據,更多關注在以上所述電池本體的「硬指標」,原因如下:

  • 續航X公里,可以基於「馱一車電池」方法,通過堆砌大量電池來最大化續航,但是這與電動汽車實際服役中載人載貨情況截然不同,因此最多是僅供參考(並且新一版電動汽車規範裡面已經開始規定電池占整車重量比)。

  • 而待機X天與正常使用的耗電也不同:待機測試條件如何?是否需要開開省電模式?要不要關閉WIFI功能?這些要素一般都不能提及。在民間做此類非嚴謹測試還可以,但如若上升至地方產業投資,涉及大量金額、人力的投入,用如此感性詞語為一個地區的發展做政策指引,繼而投入千萬上億的資金,實屬輕率。

五、哪些明日之星技術可能比較有希望?

隨著科學家、工程師們的不懈努力,近年來已經有不少新型儲能技術逐漸走向成熟,有望在未來幾年內進入我們的生活,給世界帶來變化。而在這些明日之星技術中,技術路線與成熟度各有不同,在這可以可做簡單介紹。

全固態電池技術:可以解決安全性、能量密度以及特殊功能(比如柔性)等需求。目前已經有一部分技術路線接近了工業化的條件,在近幾年內應該會有產品問世,而全陶瓷等先進技術路線可能目前更多的會朝向特種高性能電池方向發展,在隨後幾年內也有成熟的希望。

鋰硫電池技術:解決循環與枝晶安全性是大問題,其技術成熟時間可能要更長,解決的主要是高能量密度方向的需求。

鈉離子電池技術:更多面向的是固定式儲能需求,目前該技術已經處於實驗研究-工業孵化的階段,恩力能源與Aquion公司的技術都值得關注,日本也有廠商在加緊推出這方面的產品。

金屬空氣二次電池技術:該類電池理論上可以取得極高的能量密度,但是實際上還面臨著過電壓大、反應動力學不暢、空氣中的雜質氣體副反應等問題,技術成熟度相對較低,走上工業化需要的時間可能較長。

鋰電池相關的新能源行業目前正在快速發展,這寄託了政府的殷切期望。總體來說鋰電池行業發展很快,但近兩年來,其中有驚喜,也有令人失望一面(例如騙補行為)。行業吸引人實為益事,但難免也存在不同聲音、動機之人。我們能做之事在於,為促進行業健康發展,社會資源合理優化配置,發出基於產-學-研經驗的聲音,讓更多行外之人能夠了解行業內部基本情況,從而為推動全行業健康發展貢獻自己的微薄之力。

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作者簡介

劉冠偉,男,博士,副研究員/高級工程師,2003-2007年就讀於北京理工大學材料學院,2007-2012年就讀於清華大學材料學院,獲得工學博士學位,2011年曾赴德國TU Darmstadt交流學習電化學。於2015年10月入職清華大學能源互聯網創新研究院,主要負責儲能技術開發方面的工作。聯繫郵箱:liuguanwei@tsinghua.edu.cn

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