真真假假,如何筛选最靠谱的锂电池技术?

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近年来,电动汽车、新能源已然成为我国重要的发展方向,电池可以称之为该领域的核心技术。与此同时,市场上也存在诸多与电池相关新闻,“X分钟X秒钟充满电,续航1000公里”等讯息令大众惊奇不已。然而,从专业角度来看,我们需要慎重对待这些新奇新闻。

虽然电池技术在近几年确有进步,但其性能似乎距大众期望尚远:电动汽车所用动力电池容量确有上升,然其续航里程却不能令人满意;手机方面,三星只是适度的提升其电池能量密度,加之一些管理、设计上的问题,NOTE7便遭遇了“滑铁卢”。尽管在社会上,电池已经成为大家寄以厚望的热点,但我们必须理性地意识到:电池进步虽有很多种可能性,但选出一条可行的路并且把它走通(产业化以服务社会)却并不容易,因为选择和研发都需要投入很多的精力。因此就目前锂电池行业和广大社会期望而言:大众所期望的快速运转尽早实用的心态固然可以理解,但在产业实际中并不可取。因此谨慎选择和筛选锂电池技术十分重要!

众所周知,锂离子电池具有良好的综合性能,是消费电子、电动汽车甚至储能行业的主力军,近年来社会及专业人士对其期望值也很高。目前,市场上存在多种锂电池技术,这在某种程度上极大地吸引了投资人、各地政府的注意力。但值得注意之是:这些技术整体来说良莠不齐,不乏以下情况:有些包装很好,实际技术先进性却是大大的问号。

在此背景下,笔者特在此介绍一些筛选锂离子电池的基本常识,以便向广大普通群众进行科普与知识宣传。

一、什么是锂离子电池?其工作原理为何?

锂离子电池是一种二次电池(即可反复充放电的电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+(锂离子)在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,因为锂离子在正极和负极材料中储存时能量不同,而该能量差就是锂电池能存储/释放的电量:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态,正极处于脱锂状态;放电时则相反。下图就是锂离子电池工作的典型示意图,其使用的反应体系为最经典的钴酸锂正极-石墨负极。

钴酸锂正极-石墨负极体系的锂离子电池工作示意图

 在该电池中,以充电过程为例正负极的具体反应如下:

LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi+xe-

6C+xLi+xe-=LixC6

 因为材料本体的性质局限,在正极的反应过程中,钴酸锂一般情况下只能脱出0.5个锂离子,再多则会导致结构坍塌损坏,因此一般情况下钴酸锂的理论容量上限只有140mAh/g左右,而负极石墨的理论密度为360mAh/g。再加上钴酸锂的放电的平均电压为3.7V(实际上是从4.2的充满电最高电压逐渐下降到3V左右,3.7为平均值),同时,考虑到石墨负极很低的电位值,以及电池中各种其它元件的占比,最后可以得到我们用的锂电池(例:手机)的能量密度大约是160Wh/kg左右。

能量密度对于各种电池都是最为基础的核心参数,必须而且应该是公开透明数据。然目前常用锂离子电池中,由于取决材料、技术体系不同,能量密度可以从几十(比如钛酸锂)到200Wh/kg左右。一旦这个数值极高(或极低),就值得重点关注了:一方面,在技术人员的努力下,做出了较高的能量密度,可能技术上有突破,值得庆祝;另一方面,不排除有部分人士商家存在性能夸大现象。如果能量密度数据不轻易标出,则消费者购买/投资人投资前就需谨慎思考(因为谨慎推测:不愿意标注的多半是因为该性能不佳)。电池的基础是电化学科学,而对于这一领域,有一个朴素但是最为基本的原理:任何一种电池,其存储能量的机理均需写出一个相应的电化反应方程式,如此才能知道其电压情况,判断其理论极限能量密度等,而且这些对于电池而言都只是最基本信息。不论此电池技术有多新(或只是相关人士所说的新),其原理都必须能写成化学方程式,落实在纸面上,如此才可以经得起学界常识的检验。笔者近来有友被推销一种电池,然而推销人士却对最基本电池反应原理三缄其口,因为“怕泄密”,同时说出一些违反电化学基本常识的理论,因此购买与采用该技术前还是建议要做仔细调研,谨慎行事。就电池而言,电化学反应机理是最基本信息,需要公开透明,而且这还仅仅是第一步。电池工程技术真正的壁垒在于对材料、整体结构以及工艺的优化。即使基础原理清楚,还需考虑实现难度,新技术工程化的艰辛是远超出很多人想像,。近几十年来中国工业取得如此大成就得益于技术人员的辛勤积累,不懈坚持与严谨钻研。中国的电池工业能有目前的成就,同样离不开脚踏实地的实干精神和在工业工程化中的辛勤探索。

故而请允许笔者再次引申,此前对“石墨烯(基)(锂离子)电池”、“石墨烯增强(锂离子)电池”“石墨烯辅助(锂离子)电池”的质疑已有诸多分析(只限于锂电池,并没有涉及铅酸等其它技术)。

在此再次强调:石墨烯用于锂电池,只能做负极活性材料和导电添加剂。做负极材料其成本高,体积密度低,首次效率极低,使用中会产生结构变化(Re-stacking),成本颇高,基本无可能性;而当作导电添加剂,其与其它碳系材料兄弟竞争,并无明显优势,又面临工程中分散等一系列实际问题。实际上,现今市场中各种石墨烯电池技术,几乎很少有人愿意将自己电化学反应方程式明确公开地写出,从而让同行站在科学的角度去检验。其中缘由,值得思考。

此外,近来科研界AdvancedMaterials发表了一篇长综述文,认真分析了为什么近几年石墨烯用于电池中进步贡献不大。原地址为:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603421/abstract。目前有专业人士正在将其翻译成中文,如若有兴趣欢迎访问相关链接,地址为:https://zhuanlan.zhihu.com/p/24844227。

相比之下,许多新一点——例如铝、镁等电池,在不谈论技术可靠性之外,其反应机理确实存在,因此至少还存在进一步讨论分析这种技术的空间。

二、起名很重要——就名字关注是否具有可靠性

起名很重要——拥有朗朗上口名字的技术,利于被记忆与传播。市场中存在诸多的“石墨烯电池”均按照此方式传播,主要优点其实也是便于记忆。相比之下三元锂电池、硅负极电池就显得较为稀松平常。加强传播性固然重要,但如若该名字喧宾夺主,掩盖或者扭曲自己真正核心和竞争力的技术,那就在一定程度上有名不副实的问题。实际上,锂电池命名在行业内一般都有通用规则的,在这里可作简单介绍:

1)以最主要的组元来命名,由于锂电池中正极材料往往是锂电池中能量密度最重要的决定环节,因此以其命名情况最多。比如磷酸铁锂电池、三元电池、钴酸锂电池等。随着近年来的技术发展,一些高性能的负极材料已经登场或正在登场,因此钛酸锂电池、包括以后的硅负极(电池)命名也是合理的。同理,此原则相较其它体系的电池也适用,比如镍氢、铅酸等,几乎是电池名就可以初步概括核心反应。在这里我们需要强调:加了一点石墨烯的锂离子电池不可以称之为石墨烯电池,加了一点石墨烯的锂空气电池也不能称作石墨烯电池。这就如同加了味精的鱼香肉丝还是只被视为鱼香肉丝一样。当然,如果加入石墨烯确实强化了性能,那么所强化的性能是需要举证效果的,如此才能令科研与工业界信服。

2)以反应机理/特点来命名,最为典型的是液流电池。液流电池是以液态存在的正负极物质,用隔膜分隔在不同腔体中,利用泵将其输送到隔膜界面处进行电化学发应,实现电能存储或释放的电池。就通俗视角来看,可以理解为液流电池就是几个化工用的罐子,通过泵将反应液体输送到界面处反应,实现电流存放。这样的电池能量密度很低,只有几十Wh/kg,仅适合于工业固定储能,几乎无法使用在汽车上。因为液流电池中钒体系相对成熟,有时也会称之为钒电池。此前一则新闻表示,“钒”电池使用在汽车上,市场规模万亿,续航里程N公里。就专业角度而言,该讯息存在虚假之嫌。当然,笔者没有否定钒液流电池之意:这类电池寿命长,因此在场地条件宽松的储能应用场景会有自己独特的优势。

初步小结:电池或以主要组元命名,或以反应机理和特点命名,简言之,必须是以其最为核心的组成部分或是其最有代表性的特点来命名。一旦脱离了此类原则命名方式,背后就有可能暗藏玄机:也许存在借时下流行概念加工包装之意,也许可能是对其技术实质的一种掩盖。因此笔者建议大众,当见到一些专业而时尚的电池名字时,需要慧眼如炬,从命名开始刨根问底。

三、报喜不报忧的宣传手法,你应该注意什么?

近来,诸多电池在其宣传材料中夸大事实,例如“充一次电工作两天,能量密度1000Wh/kg,性能提高了50%,寿命X年”等,普通人可能很容易轻易相信。但实践检验之后很多人或许会发现,此类电池技术实际运用起来却并没有广告语中说的那样神奇。那么如何从根源上筛选电池?

简单判据:许多企业宣传自己,推崇报喜不报优,即10个非常重要的核心性能只标注5个,孰不知另外的5个性能可能还不如行业平均值——。对于任何一款工程应用的技术而言,产品的各方面性能都应该达到基本的及格线,否则无法实际使用。因此如果做出的电池某个性能确实很好,企业一定会积极报道,但如果不主动标注,则很有可能该性能做的还不够优质。

因此建议对电池在实用中的每一个可能涉及到的性能都要进行深究。果技术提供商对这些性能推诿不透露,则该方面的特性很有可能存在短板。笔者认为,尤其需要关注一种电池重点宣传的性能相对对立方面的性能,比如快充电池需知晓其能量密度,能量型电池需知晓其功率密度、寿命,尤其是体积相关的密度参数,如此或将降低买到不符实产品概率,最差也能与其讨价还价一番。

以一家代表电池企业产品实际的规格为例:

由图可知,该规格表中信息很全,电池的容量、功率、内阻,尺寸等信息都已给出。而一般而言,一款电池产品,一般都要介绍其质量能量密度、体积能量密度、质量功率密度、体积功率密度,寿命、电压、成本(价格信息可能不会放在宣传册中)、适用环境、安全性。在这里要强调一下:1)体积能量密度非常重要,同样质量、能量的一块电池,如果体积特别大,完全塞不进入实际的服役空间中去的话,也是无法使用的。而手机恰恰是因为体积空间小,因此采用的更多的是体积能量密度最高的钴酸锂电池。2)功率密度通俗来讲,就是快充相关的特性,此处需强调,笔者认为电池本体性能是否足够好,对快充的贡献占比一半以上,相比之下电控等环节要稍微小一些。功率密度与快充的分析见前文:《光说几分钟充满,其它性能都不说的快充技术,都是耍流氓》,https://zhuanlan.zhihu.com/p/21703050?refer=liugwtiger。

四、甄别两种宣传策略

其一:“性能提升XX%”。这个可以说有意义,但也可以说没有意义,因为提升对比参照物的解释权是在厂家手里——厂家可以制作一个性能很差没做好的样品作对照样品——科研人员对此流程非常熟悉。因此关键不在于厂家的提升相对幅度,而在于其性能的绝对值——例如XX强化磷酸铁锂电池能量密度提升35%——可以实际求证,基础/提升后的能量密度数值到底分别是多少?100Wh/kg?130Wh/kg?。

其二:“续航多少公里、待机X天”。这是科学上不太严谨的表达方式,建议大众不要轻信此类数据,更多关注在以上所述电池本体的“硬指标”,原因如下:

  • 续航X公里,可以基于“驮一车电池”方法,通过堆砌大量电池来最大化续航,但是这与电动汽车实际服役中载人载货情况截然不同,因此最多是仅供参考(并且新一版电动汽车规范里面已经开始规定电池占整车重量比)。

  • 而待机X天与正常使用的耗电也不同:待机测试条件如何?是否需要开开省电模式?要不要关闭WIFI功能?这些要素一般都不能提及。在民间做此类非严谨测试还可以,但如若上升至地方产业投资,涉及大量金额、人力的投入,用如此感性词语为一个地区的发展做政策指引,继而投入千万上亿的资金,实属轻率。

五、哪些明日之星技术可能比较有希望?

随着科学家、工程师们的不懈努力,近年来已经有不少新型储能技术逐渐走向成熟,有望在未来几年内进入我们的生活,给世界带来变化。而在这些明日之星技术中,技术路线与成熟度各有不同,在这可以可做简单介绍。

全固态电池技术:可以解决安全性、能量密度以及特殊功能(比如柔性)等需求。目前已经有一部分技术路线接近了工业化的条件,在近几年内应该会有产品问世,而全陶瓷等先进技术路线可能目前更多的会朝向特种高性能电池方向发展,在随后几年内也有成熟的希望。

锂硫电池技术:解决循环与枝晶安全性是大问题,其技术成熟时间可能要更长,解决的主要是高能量密度方向的需求。

钠离子电池技术:更多面向的是固定式储能需求,目前该技术已经处于实验研究-工业孵化的阶段,恩力能源与Aquion公司的技术都值得关注,日本也有厂商在加紧推出这方面的产品。

金属空气二次电池技术:该类电池理论上可以取得极高的能量密度,但是实际上还面临着过电压大、反应动力学不畅、空气中的杂质气体副反应等问题,技术成熟度相对较低,走上工业化需要的时间可能较长。

后记:

锂电池相关的新能源行业目前正在快速发展,这寄托了我国政府的殷切期望。总体来说锂电池行业发展很快,但近两年来,其中有惊喜,也有令人失望一面(例如骗补行为)。行业吸引人实为益事,但难免也存在不同声音、动机之人。我们能做之事在于,为促进行业健康发展,社会资源合理优化配置,发出基于产-学-研经验的声音,让更多行外之人能够了解行业内部基本情况,从而为推动全行业健康发展贡献自己的微薄之力。


来源:第一电动网

作者:刘冠伟

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