日前，美國伯克利國家實驗室提出了一種能在現(xiàn)役的鋰離子電池基礎(chǔ)上增加兩倍的能量密度，同時在一定程度上提升電池壽命的解決方案。
伯克利實驗室所提出的解決方案是，在鋰離子電池中，用一種硫氧化石墨烯（S-GO）制成的納米復(fù)合材料作為陰極反應(yīng)物。使其放電效率高達6C（1C = 1.675 A/g硫元素），充電效率高達3C，同時還能確保較高的能量密度（6C時可達800 mA·h/g硫）。此外，電池的完整循環(huán)充放電次數(shù)能超過1500次，單次衰退率只有0.039%。這可能是目前為止，鋰離子-硫電池所能實現(xiàn)的最好水平。
1500次完整循環(huán)充放電如何理解？大家可以想一下，如果一臺電動汽車每天都進行一次完整的從0至100%的充放電循環(huán)的話，那么1500次足夠支持4年左右。也就說，這臺電動汽車的電池在使用4年后就必須更換。而常用的鋰電池中，鈷酸鋰的循環(huán)次數(shù)可達500次左右，而磷酸鋰也只能達到1000次左右。也就是說，隨著充放電次數(shù)的不斷增加，鋰離子電池的容量在不斷“衰退”。這其實跟使用次數(shù)沒有太大關(guān)系，造成衰退的主要原因是溫度。
所以，在日常使用電動汽車的時候，電池的電量并不會充滿100%；多是保持在40%-60%這個水平上。一是避免完整的充放電縮減壽命，二是在各種溫度下降低衰退率，三就是為電動汽車的能量制動回收留下空間。所以，像是Model S這類采用鈷酸鋰電池的車型，在設(shè)計之初就考慮到了電池組的拆卸情形。
據(jù)悉，這種新型的鋰離子-硫電池的單電池結(jié)構(gòu)（Cell-level），能量密度可以達到500 W·h/kg，比當(dāng)前的鋰離子電池的密度（~200 W·h/kg）高出兩倍多。即便在經(jīng)過1500多次完整充放電后，其電量容量依然可以保持較高水平（740 mA·h/g硫）。如果要實現(xiàn)目前汽油車輛300英里（約480公里）的續(xù)航，那么單電池結(jié)構(gòu)的能量密度就必須要到達350至400W·h/kg。所以這種新型Li/S電池的能量密度理論上完全可以滿足這一需求。
不過，伯克利實驗室的新構(gòu)想依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，那就是電池的壽命。盡管能實現(xiàn)1500次的完整循環(huán)充放電，但從實用性和經(jīng)濟性的角度講，這還遠遠不夠。原因是，在放電過程中，鋰離子的多硫化物容易從陰極消融，與鋰陽極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Li2S，從而形成一個反應(yīng)屏障。這就是為什么在經(jīng)過幾次充放電后，電池的容量開始減少。
目前在電動汽車動力電池領(lǐng)域，鋰離子電池已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的鎳氫電池成為市場新寵，它的能量密度高、輸出功率大，并且沖、放電速度快。我們常見的，無論是鈷酸鋰電池還是磷酸鐵鋰電池，都是鋰離子電池的一種。盡管如此，當(dāng)前流行的鋰離子電池仍然存在幾大挑戰(zhàn)，如穩(wěn)定性較差、容量易衰退，以及能量密度依然不及汽油燃料。
這些限制造成了電動汽車用車中所謂的“續(xù)航焦慮”（Range Anxiety）。對于電動汽車的普及來說，這并不是個小問題。尤其是沒有汽油機作為備用動力的純電動汽車。之前Elon Musk駕駛Model S橫跨美國，也是為了進一步打消市場對Tesla電動汽車的續(xù)航能力質(zhì)疑。目前，伯克利國家實驗室正在尋求合作伙伴，來進一步解決Li/S電池的壽命問題。其中，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所也參與該技術(shù)的研究。
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