目前人們常見(jiàn)的二次電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池、液流電池(如釩電池、鋅溴電池等)、鈉硫電池等等。圖3是各種二次電池的市場(chǎng)發(fā)展情況。從圖3可以看到,二次電池市場(chǎng)目前基本上就是鉛酸電池和鋰離子電池兩強(qiáng)爭(zhēng)霸,但是,鉛酸電池市場(chǎng)的發(fā)展速度不僅遠(yuǎn)低于鋰離子電池,而且其很多固有市場(chǎng)都在被鋰離子電池所取代,如電動(dòng)自行車、移動(dòng)基站電源等??梢哉J(rèn)為,二次電池技術(shù)發(fā)展已進(jìn)入到鋰離子電池時(shí)代。
從圖3還可以看到,液流電池、鈉硫電池等其他二次電池技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模不值一提,這些二次電池技術(shù)中有些技術(shù)的發(fā)展時(shí)間其實(shí)都不算短了,有的比鋰離子電池還長(zhǎng)(索尼于1991年向市場(chǎng)推出了第一只商業(yè)化的鋰離子電池產(chǎn)品)。市場(chǎng)已經(jīng)告訴了我們這些電池技術(shù)充其量在小眾市場(chǎng)中有生存可能,無(wú)法成長(zhǎng)為鋰離子電池的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
根據(jù)墨柯所掌握的情況來(lái)看,未來(lái)有可能成為鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的二次電池技術(shù)有電容器電池和鈉離子電池等。電容器電池是在鋰離子電容器技術(shù)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。鋰離子電容器具有鋰離子電池負(fù)極和雙電層超級(jí)電容器正極相結(jié)合的構(gòu)造,能量密度與超級(jí)電容器相比有大幅度提高,循環(huán)壽命是鋰離子電池的數(shù)倍甚至更長(zhǎng)。
表1:鋰離子電容器與鋰離子電池、雙電層超級(jí)電容器的構(gòu)成材料比較
種類 | 鋰離子電容器 | 鋰離子電池 | 雙電層超級(jí)電容器 |
正極材料 | 活性炭 | 鋰金屬氧化物 | 活性炭 |
負(fù)極材料 | 碳材料 | 碳材料 | 活性炭 |
電解液 | LiPF6/PC-EC | LiPF6/EC-EMC | TEMABF4/PC |
使用電壓范圍 | 4.0~2.0V | 4.2~3.0V | 2.5~0V |
能量密度 | 10~50Wh/L | 100~600Wh/L | 2~8Wh/L |
功率密度 | 大 | 小 | 大 |
充放電循環(huán)壽命 | 數(shù)萬(wàn)次 | 300~5000次 | 數(shù)萬(wàn)次 |
自放電 | 小 | 小 | 大 |
使用溫度范圍 | -20~80℃ | -20~60℃ | -30~60℃ |
來(lái)源:日本技術(shù)在線。真鋰研究,2013年07月13日。注:鋰離子電池和超級(jí)電容器的相關(guān)指標(biāo)是指現(xiàn)有技術(shù)水平,理論上二者均有較大幅度提高的可能。
在鋰離子電容器技術(shù)路線的基礎(chǔ)上,2011年12月,日本Eamex公司開(kāi)發(fā)出了一種將正極換成了導(dǎo)電性高分子膜的新型鋰離子電容器產(chǎn)品 “電容器電池”,該產(chǎn)品具有能在數(shù)分鐘內(nèi)充放電7,000W/kg的輸出密度和600Wh/L的能量密度,同時(shí)保持了超長(zhǎng)壽命的特性。這條路線如果進(jìn)展順利,綜合性能可相匹敵甚至超越鋰離子電池的電容器電池產(chǎn)品或許會(huì)在未來(lái)某個(gè)時(shí)間上市。不過(guò),這個(gè)時(shí)間會(huì)有多長(zhǎng)誰(shuí)也不清楚,Eamex公司也沒(méi)能拿出一個(gè)量產(chǎn)的時(shí)間表來(lái)。墨柯估計(jì)10年之內(nèi)即便量產(chǎn),可能也難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?;瘧?yīng)用。
從資源的角度,鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展長(zhǎng)期來(lái)看確實(shí)會(huì)面臨鋰資源瓶頸問(wèn)題,因?yàn)榈厍蛏系匿囐Y源并不豐富,而這一點(diǎn)也正是鈉離子電池技術(shù)受到越來(lái)越多人關(guān)注的主要原因。理論上看,鈉離子電池的性能和鋰離子電池大致相當(dāng),但是,鈉在地殼中有豐富的儲(chǔ)量,約占2.74%,為第六豐富元素,且分布廣泛,尤其海水中的鈉資源儲(chǔ)量非常豐富(世界上鹽的一半是由鈉元素組成)。以目前的認(rèn)知能力判斷,資源的優(yōu)勢(shì)決定了鈉離子電池終究有一天會(huì)取代鋰離子電池。
鈉離子電池是正極材料為含鈉氧化物(貧鈉),負(fù)極在嘗試鈉金屬、碳材料、鈉系合金材料甚至其他金屬。由于鈉離子比鋰離子半徑約大30%,因此,找到適合的正負(fù)極材料以及匹配的電解質(zhì)材料是鈉離子電池技術(shù)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵所在。目前在開(kāi)發(fā)鈉離子電池技術(shù)方面最為領(lǐng)先的是日本住友電工,公司目前已開(kāi)發(fā)出能量密度167Wh/kg(290Wh/L)(注:蘋果和特斯拉使用鋰離子電池目前的能量密度均在250Wh/kg左右)的鈉離子電池產(chǎn)品,且將鈉離子電池技術(shù)量產(chǎn)的時(shí)間定在2016年,成本目標(biāo)是2萬(wàn)日元/kWh(約合200美元/kWh)。豐田正在和住友電工合作開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)汽車的鈉離子電池技術(shù)。
圖4:正在成體系的鈉離子電池及其關(guān)鍵材料技術(shù)開(kāi)發(fā)(來(lái)源:日經(jīng)技術(shù)在線)
鋰資源雖然比鈉資源少得多得多,但未來(lái)數(shù)十年內(nèi)我們絲毫不用擔(dān)心鋰資源的問(wèn)題。對(duì)于鈉離子電池,墨柯認(rèn)為,即便住友電工能如期于2016年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),鈉離子電池要規(guī)?;〈囯x子電池也還有較長(zhǎng)的路要走,因?yàn)樗€要解決很多技術(shù)問(wèn)題(如:90℃高溫是鈉離子電池適宜的工作溫度環(huán)境,如何在常溫和低溫下工作就是個(gè)大問(wèn)題)和產(chǎn)業(yè)配套問(wèn)題等等,這些問(wèn)題的解決都需要時(shí)間。