新合金增加一倍電池容量冷凍電子顯微鏡揭露鋰枝晶之謎

2017-11-06 16:47:41 高工鋰電技術(shù)與應(yīng)用　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

近日，鋰電材料和設(shè)備企業(yè)璞泰來(lái)正式登陸上交所，再一次證明了鋰電行業(yè)的熱度。讓人不由的感概，不愧是有42人進(jìn)入胡潤(rùn)富豪榜的行業(yè)。與之相交輝映的是，擬啟動(dòng)IPO的寧德時(shí)代估值達(dá)840億元;松下宣布投資1000億日元

近日，鋰電材料和設(shè)備企業(yè)璞泰來(lái)正式登陸上交所，再一次證明了鋰電行業(yè)的熱度。讓人不由的感概，不愧是有42人進(jìn)入胡潤(rùn)富豪榜的行業(yè)。

與之相交輝映的是，擬啟動(dòng)IPO的寧德時(shí)代估值達(dá)840億元;松下宣布投資1000億日元增產(chǎn)鋰電池業(yè)務(wù)。一個(gè)是中國(guó)老大，一個(gè)是世界巨頭，隱隱有一種拉開(kāi)新能源競(jìng)爭(zhēng)全球化序幕的味道。

事實(shí)上，新能源競(jìng)爭(zhēng)全球化的趨勢(shì)早就體現(xiàn)出來(lái)了，可以看到的就是各大新能源強(qiáng)國(guó)宣布禁售燃油車的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，以及國(guó)內(nèi)主流車企相繼宣布非常詳細(xì)的新能源戰(zhàn)略規(guī)劃。全球都將重點(diǎn)放在了新能源，2020年后，失去補(bǔ)貼保護(hù)的中國(guó)鋰電，勢(shì)必要同世界主流企業(yè)展開(kāi)“廝殺”。

慶幸的是國(guó)內(nèi)已經(jīng)做出了應(yīng)對(duì)，從2016的一系列政策調(diào)整中就能明顯的感受到，國(guó)家的政策已經(jīng)從普惠型向扶優(yōu)扶強(qiáng)型轉(zhuǎn)變，目的就是塑造出一批做大做強(qiáng)的企業(yè)來(lái)同國(guó)外巨頭們競(jìng)爭(zhēng)。而政策趨勢(shì)下的市場(chǎng)表現(xiàn)就是排名前十的電池企業(yè)占據(jù)著80%的市場(chǎng)份額。

新能源行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)升級(jí)已是板上釘釘?shù)氖聦?shí)，筆者相信，在這樣的激烈碰撞下，電池技術(shù)也將得到巨大的進(jìn)步，畢竟科學(xué)才是第一生產(chǎn)力，技術(shù)才是企業(yè)最核心的競(jìng)爭(zhēng)力。筆者認(rèn)為，目前最可期的就是固態(tài)電池的商業(yè)化，這也將成為各大車企逐鹿市場(chǎng)的殺手锏。

下面就來(lái)看看本周鋰電行業(yè)都有哪些大事件和新技術(shù)吧。

1冷凍電子顯微鏡揭露鋰枝晶之謎

鋰電池最大的安全問(wèn)題就是電極表面鋰沉積會(huì)形成“枝晶”(dendrites)，而且它會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)，從而造成電池內(nèi)部短路引起電池故障或可能引發(fā)火災(zāi)。但關(guān)于鋰枝晶的原子結(jié)構(gòu)卻一直不甚了解。

而近日斬獲2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)技術(shù)，能夠在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品。利用該技術(shù)，研究人員捕捉到了首張?jiān)蛹?jí)鋰金屬枝晶的圖像，發(fā)現(xiàn)每個(gè)鋰金屬枝晶是一個(gè)長(zhǎng)條狀，且成型完美的六面晶體。而此前通過(guò)電子顯微鏡鏡觀察到的只是不規(guī)則形狀的晶體。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，在碳酸鹽基電解質(zhì)中的枝晶沿著一種特定方向生長(zhǎng)為單晶納米線。其中一些會(huì)在“生長(zhǎng)”過(guò)程中出現(xiàn)打結(jié)的情況，但它們的晶體結(jié)構(gòu)仍然完整的。

另一位參與此項(xiàng)研究的斯坦福大學(xué)博士生yuzhang li稱，還能看到固體電解質(zhì)界面膜(SEI)，同時(shí)還揭示了在不同電解質(zhì)中形成的不同的SEI納米結(jié)構(gòu)。因?yàn)楫?dāng)電池充電和放電時(shí)，同樣的涂層也會(huì)在金屬電極上形成，所以控制它的產(chǎn)生和穩(wěn)定對(duì)于電池的高效利用至關(guān)重要。

點(diǎn)評(píng)：不愧是獲得諾貝爾獎(jiǎng)的新技術(shù)，從原子的角度更清晰的解剖了鋰電池的原理。事實(shí)上，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)就是基于顯微鏡的巨大進(jìn)步，而很多宏觀現(xiàn)象都能通過(guò)微觀視角來(lái)解釋，包括鋰電池。通過(guò)該技術(shù)的描述，筆者仿佛看到了鋰硫電池大規(guī)模應(yīng)用的可能性，要知道，從能量密度的角度，鋰硫電池遠(yuǎn)超目前的三元體系，包括即將產(chǎn)業(yè)化的固態(tài)電池，但就是鋰枝晶死死的扼住著鋰硫電池的咽喉。

2新合金可增加一倍鋰電池容量

Kreder和他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)簡(jiǎn)化的制造方法省去了繁瑣的涂覆工藝。當(dāng)錫被鑄造成塊時(shí)，錫能夠直接加入到鋁中，從而形成合金，然后可以機(jī)械地軋制(相對(duì)便宜和普通的冶金合金化工藝)成納米結(jié)構(gòu)的金屬箔。最后一步，材料中的顆粒減少，這是至關(guān)重要的。

Kreder解釋說(shuō)：“錫可以與鋰形成合金。不幸的是，如果使用錫箔或者甚至使用微米大小的錫顆粒，錫在與鋰形成合金時(shí)由于體積膨脹而循環(huán)時(shí)會(huì)斷裂，這意味著如果用大的錫顆粒制造電池，僅能維持?jǐn)?shù)十次的充放電循環(huán)，但如果制造納米級(jí)的錫顆粒，合金化過(guò)程中顆粒不會(huì)分裂。”

研究人員將所得到的材料稱為交叉共晶合金(IdEA)陽(yáng)極，他們認(rèn)為其厚度僅是傳統(tǒng)陽(yáng)極材料的四分之一，而重量?jī)H有傳統(tǒng)材料的一半。他們?cè)谛⌒弯囯x子電池中對(duì)這種陽(yáng)極材料進(jìn)行測(cè)試，然后對(duì)其進(jìn)行充電和放電以測(cè)量性能。他們發(fā)現(xiàn)，這種陽(yáng)極的電量?jī)?chǔ)存能力是傳統(tǒng)銅-石墨陽(yáng)極的兩倍。

點(diǎn)評(píng)：合金的使用一直都是人類歷史上最偉大的創(chuàng)造之一，但是化雜種為雜交，并不是一件容易的事情，尤其是動(dòng)力電池這種十分講究綜合性能的產(chǎn)品，其成本、工藝、效率、循環(huán)等等都是需要考慮的，而容量只是其中之一，單純強(qiáng)調(diào)某一性能的研究報(bào)告，在筆者看來(lái)，都是耍流氓。

3“電池醫(yī)生”為動(dòng)力電池快速診斷

在上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院，嚴(yán)曉教授帶領(lǐng)動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)黃賽杰等，成功研制出這樣一個(gè)“電池醫(yī)生”，給“上了年紀(jì)”的新能源汽車快速準(zhǔn)確診斷。

嚴(yán)曉說(shuō)表示，新能源車的電池包由一節(jié)節(jié)小電池組成。將小電池視為一個(gè)單位，每一節(jié)都由BMS(電池管理系統(tǒng))監(jiān)管，它們及時(shí)報(bào)告自己“生病與否”。為了能聽(tīng)懂電池的“訴求”，團(tuán)隊(duì)根據(jù)廠家提供的BMS 通信協(xié)議編寫(xiě)程序，最終將電池信息準(zhǔn)確翻譯出來(lái)。進(jìn)而，采集到電池的基礎(chǔ)信息——電壓、電流和溫度等。

盡管目前研發(fā)起步階段只能采集電池基礎(chǔ)信息，但這就像找到新世界大門的鑰匙——“只要使用正確的模型和算法，依靠它們就能得出更深一層的數(shù)據(jù)信息，”黃賽杰介紹，比如SOC(電池剩余電量)、SOH(電池健康狀態(tài)評(píng)估)等一系列參考指標(biāo)，從而根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)電池壽命、評(píng)估殘值。

點(diǎn)評(píng)：動(dòng)力電池的殘值確實(shí)是每個(gè)車企都非常關(guān)注的東西，花那么多錢買回的電池，才用上20%就被迫退役，擱在誰(shuí)身上都心疼。如果這項(xiàng)診斷技術(shù)能夠成熟的話，不僅對(duì)在役動(dòng)力電池起到重大作用，對(duì)后續(xù)的梯次利用也極為有利，再與北理工監(jiān)控平臺(tái)結(jié)合的話，應(yīng)該是一個(gè)比較理想的電動(dòng)汽車生態(tài)。當(dāng)然，這只是筆者的一廂情愿，畢竟這項(xiàng)技術(shù)才剛剛起步。

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