電池作為現(xiàn)代生活不可或缺的能源載體，其應(yīng)用范圍從日常生活的手電筒、遙控器、計(jì)算器、手機(jī)、電動(dòng)玩具等小物件到生命維持的心臟起搏器等重要設(shè)備，再到推動(dòng)交通變革的電動(dòng)汽車，可謂無處不在。然而，電池容量的局限性一直是制約這些設(shè)備性能提升的關(guān)鍵因素。為了突破這一瓶頸，科學(xué)家們正致力于挑戰(zhàn)電池能量密度的極限，努力研發(fā)出更高效能的電池技術(shù)。在此背景下，未來的電池技術(shù)將如何發(fā)展，電動(dòng)汽車何時(shí)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的續(xù)航?記者就此采訪了相關(guān)領(lǐng)域的專家，一探究竟。
全固態(tài)是未來電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
發(fā)展現(xiàn)狀 固態(tài)電池步入“C位”
“隨著科技發(fā)展，人們需要更高能量密度和高功率輸出的電池，比如為電動(dòng)車提供動(dòng)力。”南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系助理教授、博士生導(dǎo)師李一舉表示，1990年日本索尼公司開發(fā)出了以炭材料為負(fù)極，以鈷酸鋰材料為正極的鋰離子電池，產(chǎn)生更高的電壓，也給消費(fèi)電子帶來革新，這種電池成為便攜電子設(shè)備的主要電源。
目前，商用鋰離子電池的能量密度主要為200-300瓦時(shí)/千克，一般分為磷酸鐵鋰和三元鋰電池，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同又分為動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池等。作為動(dòng)力電池，其循環(huán)次數(shù)壽命一般要求在1000-2000次。
隨著鋰資源價(jià)格的上漲和對(duì)替代儲(chǔ)能技術(shù)需求的增加，鈉離子電池引起了廣泛關(guān)注。鈉電整體性能與鋰電接近，能量密度稍遜，但低溫、安全和倍率性能相對(duì)突出。鈉離子電池有望在大規(guī)模儲(chǔ)能、中低續(xù)航里程電動(dòng)車、工程車等細(xì)分市場(chǎng)率先得到推廣應(yīng)用。
由于學(xué)界認(rèn)為鋰離子電池已經(jīng)到達(dá)極限，固態(tài)電池于近年被視為可以進(jìn)一步提升鋰電池性能。
固態(tài)電池技術(shù)有望從根本上改進(jìn)液態(tài)鋰離子電池在能量密度和安全性能方面的難題。固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展采用逐步顛覆策略，液態(tài)電解質(zhì)含量逐步下降，全固態(tài)電池是最終形態(tài)。依據(jù)電解質(zhì)分類，鋰電池可分為液態(tài)、半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)和全固態(tài)四大類，其中半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)和全固態(tài)三種都可稱為固態(tài)電池。但是，目前固態(tài)電池技術(shù)成熟度相對(duì)不高，現(xiàn)階段固態(tài)電池能量密度可以達(dá)到500瓦時(shí)/千克,但其具體的應(yīng)用潛力還有待規(guī)模化后進(jìn)一步進(jìn)行探索。
面臨挑戰(zhàn) 需要開發(fā)新型電極材料提高能量密度
追求電池能量密度的極限是電池技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要目標(biāo)，如何提升電池的能量密度?
李一舉表示，電池的能量密度從定義上取決于電池的容量和輸出電壓。那么電池的容量和電壓最根本是由電池的具體化學(xué)體系所決定，換句話說由電池所使用的正負(fù)極材料決定。
從微觀尺度來說，需要對(duì)電池關(guān)鍵材料：正/負(fù)極(活性物質(zhì)、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑等)、電解質(zhì)、隔膜等進(jìn)行改性、優(yōu)化。針對(duì)正負(fù)極材料，需要開發(fā)高容量、長(zhǎng)循環(huán)的電極材料，提升電池的電化學(xué)性能。
電池的能量密度也與電池的外形、成組方式等密切相關(guān)，提高電池成組效率以及空間利用率，也可以大幅提高電池包單位體積內(nèi)的能量密度。
對(duì)傳統(tǒng)意義上的鋰離子電池，目前，國(guó)外公開報(bào)道的基于嵌入反應(yīng)正極材料鋰電池能量密度最高為加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)Jeff Dahn教授研究團(tuán)隊(duì)研制的無負(fù)極軟包電池，能量密度達(dá)到驚人的575瓦時(shí)/千克，或者1414瓦時(shí)/升。
“在此基礎(chǔ)上想要更進(jìn)一步提升能量密度存在巨大挑戰(zhàn)。”李一舉說，一方面，需要開發(fā)新型電極材料提高材料儲(chǔ)能的能量密度;另一方面，需要采用極限的電池設(shè)計(jì)，比如增加電極厚度、減少電解液等非活性材料的質(zhì)量和體積占比等。而這兩方面均會(huì)導(dǎo)致電池充放電可逆性急劇變差。
未來趨勢(shì) 未來理想電池柔性智能且“高壽”
目前，全球許多國(guó)家都在積極研究和開發(fā)提升電池能量密度的關(guān)鍵技術(shù)，歐盟、美國(guó)、中國(guó)和日本也積極推出相應(yīng)的研究計(jì)劃和激勵(lì)措施。
固態(tài)電池相較于傳統(tǒng)液態(tài)電池有望在能量密度方面大幅提升，產(chǎn)業(yè)鏈上的鋰電企業(yè)及整車企業(yè)都積極增加研發(fā)投入以布局固態(tài)電池技術(shù)，目前行業(yè)進(jìn)度處于半固態(tài)向全固態(tài)發(fā)展的階段。雖然行業(yè)內(nèi)對(duì)向固態(tài)發(fā)展的趨勢(shì)普遍持有共識(shí)，但要想實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池技術(shù)突破，現(xiàn)階段具有較大的難度，離實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用仍具有一定的距離。從鋰電池遠(yuǎn)期發(fā)展來看，尋求電池電化學(xué)體系的突破，開發(fā)超越傳統(tǒng)鋰電池化學(xué)體系的儲(chǔ)能技術(shù)有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電池能量密度的突破。
“未來理想的新型電池需要滿足高安全性、高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)壽命、柔性和輕量化、環(huán)境友好和智能響應(yīng)等特點(diǎn)。”李一舉說，高能量密度和快速充電的電池將使電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛機(jī)、電動(dòng)船舶等交通工具更具吸引力和實(shí)用性。此外，高靈活性和高能量密度使得智能家居設(shè)備和建筑材料的電氣化變得更加現(xiàn)實(shí)。例如，電池可以被嵌入到墻壁中，供電給家庭自動(dòng)化系統(tǒng)或儲(chǔ)存太陽能。
行業(yè)翹楚 比亞迪正研發(fā)第二代刀片電池系統(tǒng)
實(shí)際上，在電池研究領(lǐng)域，我國(guó)動(dòng)力電池技術(shù)已達(dá)到全球頂尖水平。2023年3月，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研制了一種基于高容量富鋰錳基氧化物正極和超薄金屬鋰負(fù)極的10安時(shí)級(jí)軟包鋰二次電池，經(jīng)第三方測(cè)試，首次放電質(zhì)量能量密度達(dá)到711.30瓦時(shí)/千克、體積能量密度達(dá)到1653.65瓦時(shí)/升。
今年4月份，太藍(lán)新能源全球首發(fā)了單體容量達(dá)120安時(shí)、能量密度達(dá)720瓦時(shí)/千克的車規(guī)級(jí)超高能量密度全固態(tài)電池。
值得一提的是，深圳鋰離子電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)在全球居于領(lǐng)先地位，培育了一批大型科技行業(yè)龍頭企業(yè)。比亞迪目前正在研發(fā)第二代的刀片電池系統(tǒng)，這種新一代電池系統(tǒng)能量密度將可能達(dá)到190瓦時(shí)/千克，使得純電車型的續(xù)航有望突破1000公里。
小貼士 世界上第一個(gè)電池1799年問世
電池的基本功能是進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換，是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，可以為各種電子設(shè)備提供電力。充電電池還可以反向充電，把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能重新儲(chǔ)存起來。
1799年，意大利物理學(xué)家伏特把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片平疊起來，制成了世界上第一個(gè)電池——“伏特電堆”。隨著鋅-銅電池、碳-鋅電池、鐵-鎳電池，再到如今的鉛酸電池、鋰離子電池等相繼問世，電池的性能和容量都在不斷發(fā)展進(jìn)步。
電池種類非常多
電池的種類非常之多，結(jié)構(gòu)也不盡相同。以商業(yè)化鋰離子電池為例，其基本結(jié)構(gòu)分為四部分，即正極、負(fù)極、隔膜、電解質(zhì)。不同的電池體系，其存儲(chǔ)電能的機(jī)制和能量密度會(huì)有所不同，因此應(yīng)用場(chǎng)景就會(huì)有所差異。
比如，常見的鉛酸電池，以二氧化鉛為正極，鉛為負(fù)極，硫酸為電解液。雖然能量密度低(30-50瓦時(shí)/千克)，但安全性高、成本低、高倍率放電性能良好，因此，鉛酸電池廣泛應(yīng)用于通信、電力、應(yīng)急設(shè)備以及汽車啟動(dòng)、低速電動(dòng)車等。
還有一種液流電池，電池由外部的正、負(fù)極儲(chǔ)液罐和內(nèi)部的電極等構(gòu)成。比如釩液流電池的能量密度大概為15-40瓦時(shí)/千克，因循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性高和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有巨大發(fā)展前景。(深圳特區(qū)報(bào)記者 聞坤)
評(píng)論