全固態(tài)鋰電池：可靠的安全衛(wèi)士

電動(dòng)汽車(chē)自燃、手機(jī)電池爆炸……隨著鋰離子電池的大規(guī)模民用，關(guān)于電池安全事故的新聞不絕于耳，電池使用的安全問(wèn)題也廣受各方關(guān)注。不久前，日本豐田汽車(chē)公司透露，計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商用化。該公司早在2010年就推出了更安全、壽命更長(zhǎng)、功率輸出更優(yōu)的全固態(tài)電池原型器件，希望它能在未來(lái)取代現(xiàn)有鋰離子電池。

細(xì)心的消費(fèi)者會(huì)發(fā)現(xiàn)，所有的鋰離子電池都標(biāo)有詳細(xì)的注意事項(xiàng)，乘坐飛機(jī)也有嚴(yán)格的攜帶限制，這是因?yàn)殇囯x子電池內(nèi)帶有的有機(jī)溶劑具有可燃性，有一定安全隱患。如果要徹底保證電池安全，就要把可燃燒的有機(jī)溶劑用更安全的不能燃燒的固體電解質(zhì)替換掉。

“固態(tài)鋰電池有可能顯著提高電芯的安全性，是未來(lái)電池技術(shù)的重要方向。”李泓告訴記者，現(xiàn)有的鋰離子電池雖然安全性已經(jīng)很高，但仍會(huì)不斷出現(xiàn)安全事故。全固態(tài)鋰電池沒(méi)有電解液，不易燃燒和爆炸，不會(huì)產(chǎn)生液體泄漏和腐蝕，在高溫下壽命不受影響，不易變形，電壓允許范圍更高。

“更重要的是，現(xiàn)有應(yīng)用對(duì)電池能量密度要求越來(lái)越高，在現(xiàn)有技術(shù)下，通常電池容量越大越不安全。所以說(shuō)，全固態(tài)電池是一種革命性技術(shù)，它可以在保證安全性的同時(shí)，提高電池能量密度。”李泓補(bǔ)充說(shuō)。

不過(guò)，單純強(qiáng)調(diào)安全性并不能把固態(tài)電池完全推向市場(chǎng)，性能的提升和成本的降低更加關(guān)鍵?！澳壳肮虘B(tài)電池安全性能更高，但是在其他主要性能上，比如充放電速率上，低溫特性上與采用液體電解質(zhì)的現(xiàn)有鋰離子電池有顯著的差距。這主要是在固體電解質(zhì)中離子傳輸?shù)乃俣容^慢，固體電解質(zhì)和正負(fù)極材料界面的電阻很大，這些問(wèn)題還沒(méi)有很好解決，所以快充的特性暫時(shí)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。”李泓透露，全固態(tài)電池在快充時(shí)更安全，目前在日本學(xué)界的研究里表示其可以快充，但都還在實(shí)驗(yàn)室探索階段，離應(yīng)用較遠(yuǎn)。

豐田歐洲先進(jìn)技術(shù)小組博士Chihiro Yada指出，全固態(tài)電池面臨的技術(shù)障礙是功率密度不夠高，原因在于電池陰極和固態(tài)電解質(zhì)之間的轉(zhuǎn)移電阻過(guò)高。因此，全固態(tài)電池開(kāi)發(fā)過(guò)程中的主要任務(wù)就是提高它的功率密度。

固態(tài)金屬鋰電池的特性使其負(fù)極可以使用金屬鋰，金屬鋰的容量是目前鋰離子電池中石墨負(fù)極的10倍，如果能解決金屬鋰使用和加工過(guò)程的安全性問(wèn)題，用金屬鋰作負(fù)極，用高能量密度材料作正極，電池能量密度會(huì)有1至3倍的提升，而提升能量密度又是降低成本的最有效的辦法?！半m然固態(tài)電池的制造和設(shè)計(jì)與現(xiàn)有的方式不一樣，到底采用哪種工藝和技術(shù)路線(xiàn)還沒(méi)有確定，但可以肯定這是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)路線(xiàn)，固態(tài)金屬鋰電池大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)最快還需5至10年的時(shí)間。”李泓預(yù)計(jì)。

氫氧燃料電池：汽油的理想替代物

一次燃料加注僅3分鐘，巡航里程超過(guò)500公里，百公里加速10秒……隨著豐田Mirai氫氧燃料電池車(chē)在今年上海車(chē)展亮相后，氫氧燃料電池技術(shù)一時(shí)成為人們熱議的焦點(diǎn)，甚至被認(rèn)為是汽油燃料的理想替代物。

事實(shí)上，日本豐田、本田公司在氫氧燃料電池領(lǐng)域已經(jīng)研究了30多年，投入了大量資金。早在2014年11月18日，豐田公司就把氫氧燃料電池汽車(chē)推向了市場(chǎng)，標(biāo)志該電池商業(yè)化走出了第一步。

氫氧燃料電池的充電方式其實(shí)就是加注氫，形式上和加油較為類(lèi)似，不過(guò)氫氧燃料電池則要環(huán)保得多。該電池工作原理是氫氣和氧氣經(jīng)過(guò)離子膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放電子，產(chǎn)生電能，從而代替汽油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，最終驅(qū)使電動(dòng)馬達(dá)帶領(lǐng)車(chē)輛前進(jìn)，而化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物只有水沒(méi)有二氧化碳。

“豐田推出氫氧燃料電池汽車(chē)，是一個(gè)標(biāo)志性、歷史性事件，但并不代表其能夠馬上進(jìn)入市場(chǎng)。從理論上說(shuō)這是一條有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)路線(xiàn)，最終能不能商業(yè)化還要看其技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。”李泓坦言，燃料電池加氫速度快，一次加氫續(xù)航里程長(zhǎng)，和汽油相當(dāng)，且產(chǎn)物是水，從使用過(guò)程的環(huán)保角度考慮是汽油的理想替代物；但其成本高昂，氫的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存都要克服很大困難。