硅负极锂电池走向产业化

2019年03月14日 来源:

在现代科学体系内,能开辟一个重要研究领域的科学家并不多,斯坦福大学材料科学与工程系教授崔屹是其中一个。2016年,美国权威学术杂志《科学》发表长篇通讯,专门介绍崔屹和他对硅负极锂电池发展做出的开创性贡献。崔屹日前接受新华社专访时说,硅负极锂电池正快速走向产业化,预计10年内是锂电池主流发展方向。

崔屹曾先后在中国科大、哈佛大学、加州大学伯克利分校学习,2005年到斯坦福工作。他的一个主要研究方向是利用纳米技术提高电池的性能。在这个领域,崔屹面临着松下、三星、苹果以及特斯拉等知名企业科研团队的强力竞争,但正如《科学》通讯文章所言,他“依然是一支开创性力量”,对电池发展的贡献“巨大”。 那么,目前主流的锂离子电池发展到了什么阶段?接下来向何处去?待机的电池能实现吗?带着这些问题,在旧金山举行的中国科大硅谷科技峰会上采访了崔屹,他也是此次主题为“未来科技二十年”峰会的主席。 崔屹表示,电池重要的一个指标是能量密度,也就是单位重量或单位体积所能储存的能量。目前电池重量能量密度为一般200到250瓦时每千克,但性能提升相对缓慢。提升这一性能关键在于正极和负极材料,主要是负极材料。 他说,目前锂离子电池主流正极材料是金属氧化物,而主流负极材料是石墨,也就是碳。从10年前开始,他开始研究利用硅取代碳,因为硅在单位重量上储存锂离子的量是碳的10倍,“如果硅负极能取代碳负极,那么重量能量密度很有可能达到400瓦时每千克,差不多翻倍”。 当今世界,发展电动汽车已成为大势所趋,但绝大部分电动汽车的续航能力还只有两三百公里,跟传统汽车相比尚有差距。如果电池能量密度提高一倍,就可以在汽车续航能力不变的情况下,将电池体积和成本减半;或者选择保持电池体积不变,让续航能力翻倍。“那就不得了了,”崔屹说,“充一次电比燃油车开得还远。

硅负极锂电池走向产业化

” 但是,硅负极面临的一个重大挑战,是它在充放电过程中容易破裂。借助纳米技术,崔屹在解决这个问题上做出一系列尝试,目前研制出两款硅负极电池产品,一个能量密度为300瓦时每千克,已经在中国大规模生产,并向中兴等生产厂商供货,其成本、循环寿命和安全性都与传统电池相当;另一个能量密度为400瓦时每千克,目前只能小规模生产,成本仍需继续降低。 “在我做了硅负极之后,这个领域成长很快,许多电池公司都在研究这个,希望利用纳米科学的办法来发展下一代锂电池材料,”他说,“我的预测是,市场上将先出现硅碳结合的负极材料,然后硅的比例越来越高,能量密度也越来越高,整个产业的发展大概需要10年时间,10年之内硅负极锂电池将是主流发展方向。” 为了更清晰地说明锂电池的未来发展,崔屹给列出了一个路线图:目前负极一般采用石墨,而正极采用钴酸锂、磷酸铁锂或者包括三种金属的三元材料,三元锂电池能量密度能达到300瓦时每千克;接下来的硅负极三元锂电池能量密度能提升至400瓦时每千克;再之后,金属锂做负极的三元锂电池能量密度将达到500瓦时每千克;终,金属锂做负极、硫做正极的锂硫电池能量密度将能达到600瓦时每千克或更高一点,是现在的约3倍。 “但金属锂负极会像树一样长出枝晶,硫做正极也有不少问题,所以10年后金属锂负极电池可能会有一点,但前景还很难说,可是硅负极电池产业化是有保证的。锂硫电池要等到20年后才有可能大规模化应用,但也只是更多将应用于车,而不是消费电子领域。”他说。 那么,电池终能实现待机吗?崔屹说,与电动汽车更看重电池的重量不一样,更看重电池的体积,目前电池的体积能量密度为600到650瓦时每升,而他实验室研发的电池体积能量密度能达到700到750瓦时每升。“我估计大概提高到1100瓦时每升就到头了。如果现在一天充一次电,那估计将来多也就是2天充一次电。将来的一个发展方向就是快充,10分钟充电90%,但那是另一个发展方向。”他说。 请他预测未来20年电池发展对日常生活的影响,他说,估计到2030年左右,电动汽车将会普及。北京到上海1200公里的距离,如果现在要充4次电,届时将只要充2次;跟电连接的分布式储能系统将会普及,电价将会便宜很多,煤发电厂大大减少,空气污染程度降低,我们生活的环境将干净很多。

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