令人興奮的黑科技：鋰離子動(dòng)力電池材料取得突破，超級(jí)電池離我們不遠(yuǎn)了！

原標(biāo)題：令人興奮的黑科技：鋰離子動(dòng)力電池材料取得突破，超級(jí)電池離我們不遠(yuǎn)了！

相信大家近幾年來(lái)看到各種超級(jí)電池的研發(fā)成功或取得重大進(jìn)步的新聞時(shí)候，都會(huì)忍不住在下面評(píng)論：說(shuō)了這么多，距離商用還是那么遠(yuǎn)。各路企業(yè)和研究院為我們畫(huà)了那么多張2020年以后的大餅，難道我們現(xiàn)在真的沒(méi)辦法體驗(yàn)到這些電池黑科技嗎？

10月23日從科技部獲悉，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車(chē)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)支持的北京大學(xué)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備出一種高比容量的自體積適應(yīng)性硅/碳負(fù)極材料，為開(kāi)發(fā)高比能量鋰離子電池、進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車(chē)行駛里程奠定了基礎(chǔ)。

開(kāi)發(fā)高容量負(fù)極是研制400Wh/kg鋰離子電池的重要前提，硅基負(fù)極具有10倍于現(xiàn)有石墨負(fù)極的理論比容量，是當(dāng)前負(fù)極材料開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。但硅基負(fù)極在循環(huán)過(guò)程中涉及巨大的體積膨脹，導(dǎo)致其循環(huán)穩(wěn)定差、循環(huán)庫(kù)侖效率低，嚴(yán)重制約了高容量硅基負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。北京大學(xué)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位包覆、刻蝕等途徑，制備出一種蛋黃結(jié)構(gòu)Si/C復(fù)合材料。由于在活性納米Si核與碳?xì)ぶg預(yù)留了緩沖空間，復(fù)合材料在充放電過(guò)程中表現(xiàn)出自體積適應(yīng)性和良好的結(jié)構(gòu)、界面穩(wěn)定性。該材料比容量達(dá)到1300mAh/g，3C、500周和5C、1000周后的容量保持率高達(dá)90%和80%。這一工作為開(kāi)發(fā)能量密度達(dá)到400Wh/kg的鋰離子電池奠定了基礎(chǔ)。

相信大家近幾年來(lái)看到各種超級(jí)電池的研發(fā)成功或取得重大進(jìn)步的新聞時(shí)候，都會(huì)忍不住在下面評(píng)論：說(shuō)了這么多，距離商用還是那么遠(yuǎn)。各路企業(yè)和研究院為我們畫(huà)了那么多張2020年以后的大餅，難道我們現(xiàn)在真的沒(méi)辦法體驗(yàn)到這些電池黑科技嗎？

世界第一塊電池發(fā)明人

實(shí)則不然，其實(shí)很多“超級(jí)電池”早早的就已經(jīng)開(kāi)始商用了，只不過(guò)制作成民品的話(huà)，價(jià)格還是顯得比較高的。而有的電池受制于工藝，可能尚未應(yīng)用于生活更多處。有些超級(jí)電池已經(jīng)在你的生活里，你自己沒(méi)感受到而已。

伏打電堆

今天給大家介紹的這幾種電池都是已經(jīng)商用了的電池，這些電池目前的主要特點(diǎn)還是在充放電方面比較有優(yōu)勢(shì)，而能量密度方面就略有欠缺。像這種電池就比較適合在瞬時(shí)電流較大的環(huán)境工作，比如電動(dòng)汽車(chē)。而一些不用充電的超長(zhǎng)續(xù)航化學(xué)電池則可以應(yīng)用在極端環(huán)境下，克服無(wú)法充電帶來(lái)對(duì)的不便。

1、放電倍率高達(dá)70C的電池

最近的一條超級(jí)電池新聞就是東芝的SCiB電池（超級(jí)電荷離子電池），據(jù)稱(chēng)這種電池在測(cè)試中經(jīng)過(guò)5000次充放電后，依然能維持90%以上的容量，而且可以在-10℃環(huán)境中進(jìn)行快充。目前SCiB電池使用二氧化鈦當(dāng)做電池陽(yáng)極，下一代將會(huì)使用鈦鈮氧化物的陽(yáng)極材料，并將鋰離子更有效的儲(chǔ)存在晶體結(jié)構(gòu)中，讓新電池比傳統(tǒng)電池容量提升兩倍。

東芝的SCiB電池

在實(shí)驗(yàn)中，一輛緊湊級(jí)電動(dòng)車(chē)在充電分鐘后跑了越320公里，是目前牌普通鋰電池的三倍之多。乍一聽(tīng)這款電池已經(jīng)裝在了電動(dòng)汽車(chē)上并取得了突破性的進(jìn)展，但距離實(shí)際應(yīng)用還有多少年呢？

X寶在出售東芝的SCiB電池

事實(shí)上，SCiB電池已經(jīng)應(yīng)用在混動(dòng)汽車(chē)上了。在萬(wàn)能的X寶上甚至能夠買(mǎi)到。不過(guò)這種電池并沒(méi)有那么高的能量密度，90*60*13mm體積的電池?fù)碛?AH的容量，但放電可達(dá)70C的倍率，瞬時(shí)電流達(dá)到數(shù)百安培，這也是混/電動(dòng)汽車(chē)起步扭矩巨大遠(yuǎn)超汽油機(jī)的原因之一，充放電可以達(dá)到1.5萬(wàn)次，一般比較豪華的家用混動(dòng)汽車(chē)也是用類(lèi)似的電池技術(shù)。之所以對(duì)SCiB電池感到陌生，只不過(guò)汽車(chē)在銷(xiāo)售的時(shí)候并未說(shuō)明而已。

2、最玄幻的鋁空氣電池

汽車(chē)保有量雖然高，但混動(dòng)汽車(chē)也不是人人都擁有的。接下來(lái)要說(shuō)的“鋁空氣電池”雖然聽(tīng)上去比任何電池都要玄幻，但起碼普通人用很低的成本就能使用，而且可以在沒(méi)有任何電源補(bǔ)給的情況下續(xù)航很多天。

鋁空氣電池原理

鋁空氣電池以高純鋁為負(fù)極，氧為正極，氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液為電解液。鋁在空氣中獲取氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氧化鋁，而這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生放電反應(yīng)，原理很簡(jiǎn)答，普通人在家也能用手邊的材料制作，但達(dá)到最高性能還是需要很強(qiáng)的要求的。

鋁空氣電池成品

由于是化學(xué)電池，鋁作為電池的“燃料”來(lái)使用的，可以通過(guò)更換鋁電極的方式來(lái)解決較慢的充電速度問(wèn)題。雖然鋁電極是一次性使用的，但能量密度理論上可以達(dá)到8100Wh/kg，實(shí)際應(yīng)用中的鋁空氣電池在同樣能量情況下只有鉛酸電池重量的12%。

在售的鋁合金板能達(dá)到3600Wh/kg

在生活里當(dāng)然沒(méi)有必要去使用化學(xué)電池來(lái)供電，但是在野外，尤其是無(wú)法獲取太陽(yáng)能的時(shí)候，一杯鹽水，甚至一泡尿也可以作為電解液使用，并且一組鋁電極能讓你用上好幾天。目前利用鋁空氣電池的產(chǎn)品已經(jīng)在電商上出售，專(zhuān)攻戶(hù)外應(yīng)急。而助聽(tīng)器這種對(duì)電池續(xù)航較為敏感的產(chǎn)品，也可以使用紐扣空氣電池，得以達(dá)到一周的續(xù)航，使用方法就是將空氣隔離膜撕掉即可使用，不用加注電解液。

3、十五分鐘充滿(mǎn)電不是開(kāi)玩笑

石墨烯在前些年被各個(gè)企業(yè)媒體炒得火熱，號(hào)稱(chēng)萬(wàn)能的新材料，一時(shí)間石墨烯代替硅芯片、超高容量石墨烯電池的新聞噴涌而出，各種大餅“呼面而來(lái)”，搞得好像未來(lái)人類(lèi)全要靠石墨烯來(lái)拯救一般。

自己在家就可以制備石墨烯

相對(duì)于一噸原料是幾十萬(wàn)元的鋰電池來(lái)講，而論克賣(mài)的石墨烯光成本上就比鋰電池原料高了好幾個(gè)量級(jí)，還不說(shuō)性能究竟如何。那么“專(zhuān)家”們經(jīng)常爆出的商用石墨烯電池究竟是怎樣一種存在呢？

石墨烯鋰電池電芯

市面上極多號(hào)稱(chēng)石墨烯電池的產(chǎn)品其實(shí)都是將石墨烯作為一種導(dǎo)電材料應(yīng)用的，全石墨烯電池放眼現(xiàn)在，即使在未來(lái)，都不可能達(dá)到民用級(jí)?？量痰氖褂脳l件，高得嚇人的成本以及還有更高性能更低成本的代替品都是讓全石墨烯電池得不到廣泛應(yīng)用的原因。

石墨烯充電寶早已在售

如此說(shuō)來(lái)，石墨烯電池就真的百無(wú)一用嗎？其實(shí)目前市面上已經(jīng)有很多石墨烯基鋰電池充電寶開(kāi)始出售了，實(shí)際應(yīng)用中與前文的東芝SCiB電池性能體現(xiàn)完全相反，石墨烯基鋰電池充電寶主要體現(xiàn)在充電速度方面，15分鐘充滿(mǎn)已經(jīng)是X寶上這類(lèi)充電寶的統(tǒng)一口號(hào)。

需要單獨(dú)用一個(gè)電源適配

不過(guò)需要一個(gè)能夠提供高電壓大電流的充電器來(lái)配合使用，電壓只有5V的USB就不用想了，充電速度與普通充電寶充電無(wú)異，而專(zhuān)用充電器可以達(dá)到12V/5A，換算一下6000mA容量用十幾分鐘充滿(mǎn)真的不是癡人說(shuō)夢(mèng)?？瓷先プ畈豢赡艿氖╇姵貙?shí)際上是距離我們生活最近的。

4、一步到位不存在的

其實(shí)每當(dāng)我們看到新聞號(hào)稱(chēng)各種強(qiáng)悍性能的電池被研發(fā)出來(lái)，并給你畫(huà)了個(gè)大餅的時(shí)候，不用那么著急去糾結(jié)什么時(shí)候能走向民用。我們所看到的號(hào)稱(chēng)幾千公里續(xù)航，幾十倍能量密度的電池都是比較極端化的產(chǎn)物，而這些成果誕生的過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷N多材料處理工藝和試驗(yàn)，而副產(chǎn)物雖然不會(huì)達(dá)到宣稱(chēng)中那么玄幻的性能，但能夠快速商用的技術(shù)也會(huì)比現(xiàn)在的電池性能強(qiáng)很多。

電池生產(chǎn)車(chē)間（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

無(wú)論是空氣電池還是石墨烯電池，只要在未來(lái)誰(shuí)掌握了商用高性能電池技術(shù)，就有可能是下一個(gè)世界首富。所以全世界有無(wú)數(shù)的人在開(kāi)發(fā)新電池，有些早已達(dá)到商用的程度，但有一句話(huà)叫做“生不逢時(shí)”，當(dāng)社會(huì)沒(méi)進(jìn)化到對(duì)一種高新技術(shù)有迫在眉睫需求的時(shí)候，好的科技產(chǎn)品即使拿出來(lái)，也未必有人會(huì)買(mǎi)賬。

新科技產(chǎn)品即使能夠以當(dāng)前成本獲得數(shù)倍性能，也不能亂投放到市場(chǎng)當(dāng)中。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，全球有N家電池廠，其中有一家研發(fā)出能量密度是現(xiàn)在兩倍的電池，且價(jià)格是同樣體積重量電池的1.5倍，這就已經(jīng)足夠讓世界瘋狂起來(lái)了，世界上絕大部分電池的訂單全都涌向這一家，其他電池廠的生存難以為繼，對(duì)經(jīng)濟(jì)有著很大的影響。瞬間呈十倍百倍增長(zhǎng)的訂單也會(huì)導(dǎo)致原料供應(yīng)不及時(shí)的問(wèn)題，如果電池廠制造國(guó)并沒(méi)有足夠的原料去生產(chǎn)而是通過(guò)進(jìn)口，出口國(guó)則可以猛漲原料價(jià)格，導(dǎo)致電池售價(jià)增高，將會(huì)再次達(dá)到難以接受的地步，新電池的壽命也會(huì)在此終結(jié)。

其實(shí)這里提到的只是非常膚淺的因素，涉及到新技術(shù)能夠良好應(yīng)用到民用級(jí)別的因素有很多。胡亂將新技術(shù)投放到市場(chǎng)是一種非常不明智的行為，漲價(jià)可能只是最輕的后果，挑起戰(zhàn)爭(zhēng)的幾率也不低。所以新技術(shù)應(yīng)用應(yīng)該循序漸進(jìn)，作為普通百姓，我們能做的就是呼吁提高新技術(shù)下放的速度，并靜靜的等待就好了。

來(lái)源：中科院之聲

編輯：IPRdaily 趙珍  /   校對(duì)：IPRdaily   縱橫君

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