中国电动汽车高能电池研发与市场现状

2010-10-19 09:09:03来源: 日经技术在线

    目前,世界各国的研究机构都在针对未来市场需求加紧新能源电池的研究工作,如锂硫电池、金属(锂、铝、锌)空气电池等。这类电池的特点是,原材料成本低,能源消耗少,低毒,能量密度高。锂硫电池的能量密度可达2600 Wh/kg,锂空气电池的能量密度可达3500 Wh/kg。

锂硫电池

  锂硫电池已成为日本新能源汽车动力电池技术研究方向之一,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)自2009年起,每年投入300亿日元(约合 24亿元人民币)的研发预算,目标是在2020年能量密度达到500Wh/kg。美国在这方面走的更快一些,其能源部最近投入500万美元资助锂硫电池的研究,计划2013年能量密度达到500Wh/kg。

  国际上锂硫电池研究的代表性厂商有美国的Sion Power、Polyplus、Moltech,英国的Oxis及韩国三星等。Polyplus的2.1Ah锂硫电池的能量密度已达420Wh/kg或 520Wh/l。2010年7月,Sion Power应用于美国无人驾驶飞机动力源的锂硫电池表现引人注目,无人机白天靠太阳能电池充电,晚上放电提供动力,创造了连续飞行14天的纪录。其能量密度和循环性能的近期目标分别是超过500Wh/kg和500次循环。到2016年,要达到600Wh/kg和1000次循环。

  在中国,天津电子18所、防化研究院、清华大学、上海交通大学、国防科技大学、武汉大学、北京理工大学等正在进行锂硫电池的研究。

  研究中发现,由于正极活性材料的放电溶解及金属锂表面的不稳定性,硫本身及其放电产物的电绝缘性(5x10-30S/cm)等因素的影响,导致锂硫电池的循环稳定性较差,活性材料利用率偏低。

大介孔碳正极材料

  锂硫电池的正极材料包括多孔碳,如大介孔碳、活性碳、碳凝胶等(见表1);碳纳米管、纳米结构导电高分子材料,如MWCNT、PPy、PANi/PPy等(见图1);以及PAN。

表1 不同孔结构的多孔碳/硫复合材料的电化学性能
图1 碳纳米管和纳米结构聚合物硫复合材料

 

  中国防化研究院的王维坤博士在9月16日于上海复旦大学举行的“未来电动汽车高能电源研讨会”上表示,大介孔碳可通过充填单质硫形成寄生型碳硫复合物。利用碳的高孔容(>1.5cm3/g),保证硫的高填充量,实现高容量;利用碳的高表面密度(>500cm2/g)吸附放电产物,提高循环稳定性;利用碳的高导电性(几S/cm)改善单质硫的电绝缘性,提高硫的利用率和电池的充放电倍率性能。

大介孔碳的制备过程是:采用纳米CaCO3作模版,酚醛树脂作碳源,经过碳化、CO2内活化、HCL去模版、水洗。表面密度为1215 cm2/g,孔容为9.0 cm3/g,电导率为23S/cm。然后,与硫在300℃高温下共热,制备成LMC/S材料,其中S占70%。如图2所示。

图2 大介孔碳硫复合材料的制备

 

  由于硫电极低电压平台的高低与电解液的粘度密切相关,粘度越大,低电压平台越低;电导率与粘度比值越高,电池的电化学性能越好。因此,电解液的优化组成为0.65M LiTFSI/DOL+DME(体积比为1:2)。

  明胶粘合剂具有良好的粘附性、分散性,在锂硫电池电解液中不溶解、不溶涨,能促进多硫离子在充电时完全氧化成单质硫,可提高锂硫电池的放电容量和循环性能。

  多孔电极采用“冷冻干燥、冰晶制孔”工艺制备,可保证电解液的深层浸润,减少因放电产物的覆盖导致活性反应部位的损失。

  防化研究院1.7Ah锂硫电池的能量密度为320 Wh/kg;在100%DOD放电下,循环100次,容量保持率约为75%,循环效率最高为70%。第1年自放电率约为25%,平均每月自放电率在 2~2.5%;0℃放电容量达到常温容量的90%以上,-20℃时的容差为常温容量的40%;过放/过充电时,电池不燃不爆,过充电时,电池鼓胀,内部有气泡产生。

  王维坤表示,今后准备加强对金属锂负极的研究,一方面要稳定其表面,防止产生枝晶,那个面要提高其大电流放电能力,以增强锂硫电池的倍率放电性能。

硫化聚丙烯晴(SPAN)正极材料

  清华大学何向明教授研究出一种以硫化聚丙烯晴(SPAN)为正极材料、容量达800 mAh/g的聚合物锂电池,锂/硫化聚丙烯晴电池的能量密度超过240Wh/kg,且这种硫化聚丙烯晴材料具有超低成本和较低的能源消耗。另外,石墨/硫化聚丙烯晴电池将成为大型锂蓄电池的有力候选者。

  基于可逆电化学反应的锂蓄电池通过掺杂与去掺杂硫,硫化热解聚丙烯晴可成为导电聚合物。硫化聚丙烯晴电池的容量比基于可逆电化学反应的锂蓄电池的容量大,特殊的充放电特性表明,硫化物电池远超锂蓄电池机制。

  何向明的研究成果显示,当深度放电到0V时,放电/充电容量为1502mAh/g和1271mAh/g,之后循环稳定在1V到3V之间。在0.1V和3V之间时,循环性能稳定,容量为1000mAh/g。

  对于过充电,电压会突然降到3.88V,之后稳定在2V左右。过充电后,无法再继续充电,表明电池具有过充电的内在安全性。

  充电的上限电压是3.6V。充电电压到3.8V时,无法再继续充电;电压到3.7V时,3次循环后也无法再充电。

  另外,2个硫化物/锂电池与2个钴酸锂/锂电池拥有几乎相同的放电电压,因此,他们之间具有良好的互换性。

  这种电池的充电电压及容量会随着温度的下降而提高。在60℃和-20℃时的放电容量分别为854和632mAh/g。聚合物负极工作温度在-20℃以上。

  充电电压及容量会随着电流密度的增加而下降。在电流密度为55.6mA/g时, 容量为792mAh/g;电流密度为667mA/g时,容量为604 mAh/g。这表明该种电池可工作在电流密度较高的状态下。

  硫化物电极在放电(嵌入锂离子)时体积会膨胀,充电(脱锂离子)时会收缩(见表2)。第一次放电后,正极厚度会增加约22%。金属锂负极和硫化物正极的厚度变化会相互补偿,以保证电池整体厚度不会出现太太变化。导电聚合物也有同样的特性。在EIS研究中,等效电路时的测定与拟合结果如图3所示。

表2 聚合物电极厚度的变化
图3 等效电路时的测定与拟合结果


  由于硫化热解聚丙烯晴(SPAN)与热解聚丙烯晴(PPAN)的结构不同,前者在600℃以上仍能保持稳定。

  用硫化聚丙烯晴做正极,锂箔做负极的原型聚合物锂电池,大小为4x40x26mm3,能量密度为246Wh/kg或401Wh/l。

  另外,在以石墨做锂硫电池负极的实验中,在一个干燥的空气或惰性气体盒内,用Celgard的2400孔隔膜做隔片,置于正负极之间形成电芯,在负极与隔片之间是100μm厚的锂箔材料,然后注入1M LiPF6-EC/DEC电解液,最后密封成扣式电池。特性曲线如图4所示。添加Li2.6Co0.4N后的充放电曲线见图5。

图4 以石墨做锂硫聚合物电池正极的特性曲线

 

 

图5 添加Li2.6Co0.4N后的充放电曲线



  上述两种方法中,以石墨做负极比金属锂更安全;锂化前的硫化物正极由电化学的锂化生成;在硫化物/石墨电池和硫化物/锂电池之间存在0.2V的电压差;硫化物/石墨电池具有更稳定的循环寿命。

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关键字:电动汽车  电池

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2010/1019/article_2708.html
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