长续航动力锂电池：新能源汽车的“未来芯”

近日，有媒体报道，电动汽车制造商菲斯克(Fisker)刚刚申请了一项固态电池专利，这项专利使得电动汽车的续航能力提高到令人震惊的804公里，充电时间也缩短到一分钟。

在国内，动力电池作为发展电动汽车的核心部件之一，一直是电池领域研究的热点。在2016年启动的国家重点研发计划新能源汽车重点专项中，中国科学院物理研究所清洁能源实验室研究员李泓负责的“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”项目，旨在研发高能量密度、高安全性锂电池以提高电动汽车续航里程，项目提出的研究锂离子电池、半固态锂硫电池、固态锂空气电池三种长续航动力锂电池，或将成为我国新能源汽车的未来之芯。

挑战电池极限能量密度

“提高动力电池电芯能量密度达到400Wh/kg以上，将有利于显著提高电动汽车的续驶里程。以北汽EV200为例，400Wh/kg电芯，相当于800Wh/L以上体积能量密度。保持现有电池包体积和每吨百公里电耗不变，一次充电不仅可以续航620公里；还可以降低成本、延长使用寿命，解决目前电动汽车与燃油车性能之间的较大差异。”日前，李泓接受科技日报记者采访时说。

作为国家新能源汽车动力电池研发整体布局的一个重要环节，该项目的任务是在产业链最前端开发400Wh/kg以上能量密度的新型电池，积累高能量密度电池的关键基础科学问题的认识与关键技术，并为企业同步开发300Wh/kg电芯提供重要参考依据和指导意见。

“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”研发团队就是在该项目中承担挑战电池极限能量密度的任务。

量产电芯能量密度300Wh/kg可实现

记者从企业申报的公开研发方案中发现，对于300Wh/kg的锂离子动力电池路线，有项目团队选择了高镍正极和纳米硅碳负极。

“从最近的进展看，量产电芯能量密度达到300Wh/kg的技术指标可以实现。”李泓说。

在近期的新体系电池研究方面，“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”研发团队采用的富锂材料为正极，硅碳材料为负极的电芯能量密度达到了348Wh/kg，而以富锂材料为正极、金属锂为负极的电芯比能量达到573Wh/kg；锂硫电池比能量达到600Wh/kg；一次锂空电池比能量达到780Wh/kg。

“超过300Wh/kg的高能量密度电池的开发，负极含有金属锂是一个重要的共性技术。一些研究团队提出采用固体电解质或混合固液电解质，来解决使用或含有金属锂负极的电池面临的主要技术挑战。”李泓说。

中国科学院在2013年11月布局了中国科学院战略先导A类项目，该项目同时支持了固态电池的开发，其中三个团队分别在聚合物、硫化物和原位固态化技术方面取得了进展。

技术路线清晰但仍面临挑战

“目前开发生产的液态电解质锂离子电池的软包电芯中，一般液体电解质重量百分比为15%—25%，负极为碳、硅等。从长远看，未来需要发展全固态金属锂电池，负极含有金属锂，电池中不含任何液体。”李泓说。

虽然技术路线较为清晰，但目前面临很大的挑战。李泓说，从开发混合固液电解质电池和全固态金属锂电池产业来看，需要重点开发固体电解质和金属锂材料，解决界面离子和电子传输，以及体积形变、热稳定性问题。多数制造设备可以通过采用现有锂离子电池和一次金属锂电池产业的制造装备来实现。

此外，大规模生产金属锂电池的干燥房等生产环境控制技术也已经掌握。尽管开发混合固液电解质电池和全固态金属锂电池，还面临很多科学与技术的挑战，也包括控制成本方面的挑战。

“只要扎实深入地研究清楚其中的基础科学问题，提出可行的创造性的综合解决方案，即便困难重重，也是充满希望。”李泓说。