《日企研发出更环保氟离子电池,储能超锂电池10倍,动力续航或至5000公里》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-01-17
  • 尽管全球电动汽车产业发展迅猛,但市场一直毁誉参半。其最大优点是技术相对成熟、用车费用低,但缺点是续航里程短和充电时间长,这已成为困扰电动汽车发展的最大因素。目前,磷酸铁锂、钛酸锂、锂离子等动力电池基本上都已经达到了瓶颈,续航里程都很难超过600公里,使得80%以上的车型续航里程都超不过500公里。

    而近日,日本车企本田公司宣布开发出一种新型氟离子电池技术,不仅比现在的锂离子电池储能能量高出10倍,而且更为环保,有望在未来成为电动汽车的首选电池。

    本田研究院、加州理工学院和美国国家航空航天局喷气推进实验室的研究人员在12月7日发布了这一重要突破。

    研究人员称,这一全新的氟离子电池的能量密度是普通锂离子电池的十倍,却有着非常好的稳定性,而且其制造材料可以直接从土地中提取,制造成本更低,对环境的影响也非常小。

    据介绍,这种制造氟化物离子电池的技术很早之前就已出现,但该技术制造出来的电池必须要在300度的温度下运行。

    此次四家机构联合的研发团队找到了一种能让这种电池在常温下运行的方法,且不会出现过热问题。研究人员称,这项新技术避开了氟化物电池技术的温度限制,开辟了一条通往高能量密度电池的阳关大道。

    本田研究所首席科学家Christopher Brooks博士表示:“氟离子电池提供了一种很有前途的新型电池化学物质,它的能量密度是现有锂电池的10倍,且不会因为过热而造成安全风险,而获取氟离子电池的原料对环境的影响也要比提取锂和钴的过程小得多。”

    不过,或许是由于近年来日本企业频频曝出电池技术突破造假丑闻的原因,本田公司并未宣布该该电池何时能够量产,只表示该技术还在继续改进之中。

    虽然这让本田的新发明变得扑朔迷离,但如果该技术真的成为现实,将预示着电动汽车的续航里程呈几何级数上升,这很可能将给汽车行业一带来次天翻地覆的变革。

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    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2019-01-07
    • 据《日本经济新闻》2018年12月27日报道,1次充电可行驶相当于东京至大阪的500公里的锂离子电池技术开发在日本正日趋活跃。积水化学工业的技术已经具备取得突破的头绪,旭化成也已接近。均能采用现有的电极,预计到本世纪20年代前半期实现实用化。 日本经济产业省将扶持充分发挥电池性能的技术开发。在世界范围内,转向纯电动汽车(EV)的趋势正在加速,如果作为课题的续航距离大幅延长,以锂离子电池为主角的时代或将继续持续。 如果在完全充电状态下可行驶500公里,将匹敌汽油车的性能。日本经济产业省等认为这是纯电动汽车普及的条件之一,提出2030年达成的目标。纯电动汽车迅速普及的中国结束了对续航距离低于150公里的车型的补贴,增加了续航距离长的车型的补贴。 锂离子电池于1991年商品化,被用于笔记本电脑和摄像机等。2009年被用于量产型纯电动汽车。完全充电可行驶的距离在200公里左右。一般认为2010年代初以当时的技术难以达到500公里,到2030年前后将被全固体电池等新一代电池取代。 新一代电池的开发在世界范围内日趋活跃,但技术上的课题很多。另一方面,锂离子电池的技术开发取得进展,500公里的突破日趋具有现实可能性。研究人员等预测“锂离子电池还能继续使用10年左右”。 锂离子电池通过锂离子在正负电极间移动来产生电力和进行充电。要增加电池的容量,有必要增加电极中存储的离子,或减少内部电阻,使电子通过更加容易。 积水化学开发的是用于正极的技术,在加入的炭材料的结构上下功夫,使电子流动更容易。扩大正极之中电子通过的通道,电子流动更加顺畅,达到以往的10倍左右。除了大量获得发生的电流之外,电极不易损坏,耐久性得到提高。 将使正极加厚,以便更多取得锂离子。在实验中,电池的容量提高了3成左右。可将续航距离从现在的400公里提高至超过500公里的水平。计划到2021年作为零部件加以销售。 旭化成则是通过向负极混入氧化硅,将容量提高2成左右。向采用碳类材料的负极中加入硅系物质,使得存储锂离子更加容易,能增加容量。但是,具有在捕捉一部分离子的情况下无法释放的问题。通过在负极中预先注入离子,让被捕捉的部分不产生活动,锂离子的取得和释放变得顺利。旭化成力争在数年后实现实用化。 此外,采用此前不存在的电极材料的研究也在推进。横滨国立大学的薮内直明教授与松下合作,开发了混入氟的正极。不仅是金属,氧气也能用于电极内的电子流动,容量达到2倍。住友化学推进采用铝的负极的开发,提出将容量提高至2.5倍的目标。 日本经济产业省将自2019年度起,开发使完全用完锂离子电池电量成为可能的技术。为了防止起火事故等,电池以低于上限的容量使用。将扶持能准确检测剩余电量的传感器的开发,增加可使用量。在2019年度预算中列入2亿5千万日元,力争到2023年实现实用化。 日本曾在锂离子电池领域席卷世界,但2011年以后专利申请出现减少。在中国,大学和企业等的专利申请增加,到2015年,发展为日本和中国各占整体的3分之1。为了增加续航距离,大幅增加电池容量的技术开发正在推进,中国的专利申请预计进一步增加。
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    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-10-11
    • 2019年诺贝尔化学奖为表彰锂电池技术的不断完善和进取,授予了约翰•B•古迪纳夫、M•斯坦利•威廷汉和吉野彰。 “氢氦锂铍硼碳氮氧氟氖钠镁铝硅……”,这是我们初中化学课脑袋发大也要背诵的元素周期表。氢是最活跃的气体,锂是最活跃的金属,甚至与非常稳定的氮都能发生化学反应。用锂来制造电池,如果没有这些伟大的发明家,你的手机就如同一个打开保险盖的手榴弹。 上世界70年代,人们将金属锂作为电极,研发出了锂电池。但由于锂的活跃性,电池起火爆炸问题难以解决。 古迪纳夫可以算是一个杂家出身。在大学学习过古典文学、哲学、数学,仅仅修过两年化学课。二战中参加美军,在太平洋战场上从事气象数据收集。战后回到大学学习物理,博士毕业后又去研究固体磁性。1976年他54岁,进入牛津大学无机化学实验室当主任,才算开始将研究领域转入电池。到上世纪80年代,古迪纳夫发明了相对更加稳定的“钴酸锂”材料,大幅度降低了锂电池易燃易爆的几率,算是把手榴弹的保险盖又盖上了,使其能够成为一种实用的产品能够进入我们的生活。 显然,在古迪纳夫眼中,钴酸锂远未达到理想的状态。1997年,75岁的他又拿出了“磷酸铁锂”材料的发明,进一步提升了锂电池的安全性。至此,他被誉为“锂电池之父”。在90岁的时候,他再次发布了更安全、更廉价、更实用的“全固态电池”技术,避开了锂电池内电解液可能带来的不安全性,算是可以彻底不用担心手机变成手榴弹了。而今年获得诺贝尔奖,他已97岁。 怀廷汉姆研究用层状材料制造电极,将锂离子存储在钛硫化物的片层内。锂离子可以从一个电极穿梭到另一个电极,从而形成可充电电池。吉野彰研究将碳基材料为阳极用于锂电池,再用钴酸锂为阴极,去除电池中的易燃易爆的金属锂,提高了安全性,使锂电池更加实用。正是他们锲而不舍的研究,将锂电池成为改变我们生活最主要的发明之一。 今天,锂离子电池储能技术已经极深地渗透到我们社会生活的方方面面。30多年前,我曾经是一个职业新闻摄影记者,一个头疼的问题是如何保持闪光点有充足电力完成采访。当时我们使用镍氢储能电池,一组四个充电电池只能保证不到一个胶卷36张的闪光照明,而且价格很贵、寿命很短。电池还有记忆,充电前要先放电,一组电池连放带充要十几个小时,麻烦无比。若闪光灯不亮了,你就拍不到需要的照片,回来就无法向总编交差。那时每次出门都要带上一大堆蓄电池,还要带上干电池备用。而今天,如果使用锂电池基本不用担心这种问题。同时,技术的急速进步已将新闻摄影记者这个职业基本淘汰,任何一个记者甚至普通人都可以拿一部智能手机抢拍和发布最及时的新闻图像。 今天,我们的手机锂电池储电量都已超过4000mAh,让手机不仅是一个电话,而且成为几乎无所不能的智能信息终端。在高强度使用的情况下也可支持近十个小时,而且随时可以快速充电,极大的方便了我们的生活,以至于我们拿一部手机就可以行走天下。 1990年,我们在美国见到的第一个手提电脑,要卖2000多美元,CPU是386SX,速度只有16M,电池仅能为维持运行40分钟,而且不到1年就要更换新电池,换一块电池要几百美元。而今天,很多笔记本和平板电脑只卖几百美元,持续使用8小时,重量只有几百克。这除了电子技术的进步,也有电池技术进步的支撑。 电池技术进步让我们从互联网时代走向了移动互联时代,同时也改变了我们的交通和能源系统。日本曾经组织专家评估电池储能技术前景,多数专家不看好锂电池,认为其安全性、储能质量密度、成本都没有前景,所以日本车企押注氢燃料电池并重金投入。但是,没有想到埃隆•马斯克用日本自己生产的钴酸锂电池制造的电动汽车,一次充电居然可以行使600公里,基本替代了传统汽车,让氢燃料电池技术面临“既生瑜何生亮”的窘境。只能用免费提供技术和分享专利来忽悠中国,希望以此分担前期投入的成本。 埃隆•马斯克说:“不要相信业内专家告诉你技术已经登峰造极,任何技术都可能存在创新突破的巨大空间。”这一次三位老先生获得诺奖,恰恰证明了马斯克的判断。锂电池技术进步仍有巨大的空间,将颠覆的是整个世界。 中国国家电网在推进“泛在能源互联网”,一个重要的技术进步,就在于电力储能技术的突破。截至2019年6月,中国新能源汽车保有量达344万辆,其中纯电动汽车保有量281万辆,占新能源汽车总量的81.74%。纯电动汽车的性价比已经接近甚至越过临界点,预计2020年新能源车500万辆保有量的目标有望实现。根据规划,到2030年中国新能源车将达到2000万辆,其中80%是纯电动汽车。目前市场销售的主力车型行驶里程已达到400-500公里,蓄电池容量60-80千瓦时。如果在每辆车每天在用电高峰时段向电网返送10千瓦时电力,就是1.6亿千瓦的调峰容量,相当于现有抽水蓄能电站的5倍,将彻底颠覆既有电力系统的格局。 电网有足够的调峰容量,就可以接纳更多不稳定不确定的光伏和风电,就会有更多的家庭和企业通过分布式能源生产可再生能源电力进行储存或销售。电动汽车充电电池在从汽车退役后,仍可以长时间继续应用于分布式储能,使未来电力系统和今天的互联网一样无处不在并实现移动互动。能源、信息、交通、建筑、工业和农业,将因为电池而融为一体,实现泛在互联,而锂电池在其中担负了至关重要的任务。 中国要特别感谢约翰•B•古迪纳夫、M•斯坦利•威廷汉和吉野彰这三位伟大的发明家,因为中国是这些技术的最大受益者。这不仅是因为中国是智能手机和笔记本及平板电脑持有量最多的国家,他们的技术改变了我们沟通、交流、学习的方式。而且,中国还是电动汽车保有量最多的国家,大量的电动汽车不仅颠覆了我们的交通方式,减少了对石油的依赖,也改善了我们城市的空气质量。同时,中国还是相关产品最大的生产国和出口国,为我们创造了大量就业、税收和财富。 2018年全球前十大动力电池生产商中,中国企业占据7席。其中,宁德时代电池出货量全球第一,达到23.4GWh,第二名松下为20.7GWh,第三名比亚迪11.4GWh,第四名LG化学只有7.4GWh,第7名三星SDI仅有3GWh。2019年1-8月,我国动力电池装车量超过GW的有三家。其中宁德时代遥遥领先,达到13.64GWh,实现装车26.26万辆,占据市场份额的45.5%。 到2020年,中国的锂电池生产能力可以满足116.21万辆电动汽车的产量,其中58.02万辆乘用车,58.19万辆商用车。到2025年,将可满足生产262.47万辆电动汽车,其中150.67万辆乘用车,112.07万辆商用车。到那时,城市里的公交车和市政用车将可全部电动化,而大湾区、长三角和京津冀将可能率先实现交通零排放目标,城市空气质量将从根本上得以改善。 为此,我们应该再一次感谢这些获得诺贝尔奖伟大的发明家,感谢他们坚持不懈的努力,感谢他们用科学改变世界的精神。