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2020年电池的能量密度提升至300Wh/kg

核心提示:作为一种高效的储能系统,从各种电子产品到电动汽车,再到电网规模化能量存储的扩展应用,锂电池正在越来越多地参与到能源生态演

作为一种高效的储能系统,从各种电子产品到电动汽车,再到电网规模化能量存储的扩展应用,锂电池正在越来越多地参与到能源生态演变这一重要进程中。过去几十年锂离子电池(LIBs)一直占据着主导地位,然而它的高成本和越来越接近理论极限的现状以及在我国的“十三五”规划中,提到的在2020年时将电池的能量密度提升至300-350Wh/kg,这些市场形势和政策走向,使得学术界和工业界都在寻求超越锂离子嵌入的新型化学储能电池,以满足不断增长的能源需求。按照目前的进度来看,基于全新能量转化机制的锂硫(Li-S)电池摘得头筹的可能性比较大。

  

锂硫电池商业化的可能性

  

锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。利用硫作为正极材料,是因为其材料理论比容量和电池理论比能量分别高达 1675m Ah/g 和 2600Wh/kg,远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池(<150mAh/g)。更重要的一点是,封闭的Li-S系统与LIB类似,在电池制造方面,从LIB到Li-S电池的转换更简单有效,从而使其比开放锂 - 空气系统更具商业可行性。锂硫电池的最新进展正在开始使其商业化成为可能。

  

另外,从经济性角度来看,硫(S)不仅对环境及人类影响极小,而且是地球上丰度最高的元素之一,它目前的均价仅为$0.25/kg,而这还不足LiCoO2(均价为$40/kg)价格的百分之一。同时,由于硫的易升华及反应产物易溶解特性,在传统正极材料中回收硫比回收金属更加符合成本效益。这些优点使Li-S电池相对于LIBs而言拥有巨大的成本优势。就大规模的储能装置方面来看,成本的控制显得尤为重要,每个电池单元成本节省的积累,对于建立和推广固定式储能电池带来了巨大的经济利益。由此看来,锂硫电池是一种非常有前景的新型锂电池。

  

 锂硫电池在世界舞台的现状

  

近年来,国内外各大高校、研究院所、电池类实验室/公司等都在开展锂硫电池的研发。

  

在国外,其中国外的锂硫电池研发以Oxis和Sion Power公司最为著名。Sion Power公司研发的锂硫电池主要涉及4个应用领域,分别是无人机和地面车辆、军用便携式电源和电动车。该公司在2010年将锂硫电池应用于大型无人机,打破了三项无人机飞行世界记录:飞行高度2万米以上、连续飞行时间14天、工作温度最低-75℃。

  

2009年,Sion Power公司获得美国能源部80万美元的资金资助,以开发一种锂硫电池用的新型电解质。2010年又获得APPA-E 500万美元资助以开发电动车用锂硫电池。2011年,德国BASF公司以5000万美元收购了Sion Power公司股权。


         2014年,空中客车公司(AIRBUS)的“西风7”无人机依靠锂硫电池实现了不间断飞行11天的记录。而目前锂离子电池是无法实现让无人机在高空低温环境下长时间滞空。因此,锂硫电池未来会首先应用于无人机领域,尤其是对未来超长航时无人机的发展会起到极大的促进作用。

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    目前英国Oxis公司正与牛津大学、剑桥大学和俄罗斯科学院合作开发聚合物锂硫电池,主要应用于航空和电动车市场。现已与部分欧洲合作商签订电动车用锂硫电池的采购合同。

  

在国内,国内各大科研机构近日在锂硫电池的研究上也取得了一些进展。

  

据报道,近日中科院大连化物所在锂硫二次电池技术研发中取得新进展,所研制的能量型锂硫电池的比能量经第三方按照国军标要求的安全测试,从之前的520 Wh/kg、570 Wh/kg到609Wh/kg,刷新了二次电池比能量在同领域的领先位置。此次新研制的能量型锂硫电池,还展示出了优异的环境适应性:在-20℃的环境中,放电比能量达到400Wh/kg;在-60℃的极寒环境中仍可工作,表现出了显著优于锂离子电池的低温性能。此外,新研制的功率型锂硫二次电池的持续放电倍率大于4C,脉冲可达10C。目前由中科院大连化物所研制开发的锂硫电池组已完成了与太阳能无人机的全系统地面联试,取得良好效果,通过了用户验收。

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       最后,借用一句位于伊利诺伊州雷蒙特阿贡国家实验室能量存储研究协同中心主任George Crabtree的评论,“所有的这些进展都将助力推动锂硫电池的发展,很难判定这些突破是否是锂硫电池商业化所需的最后突破,但我的态度是乐观的”。世界各地的电动汽车驾驶员们也都希望他的话是正确的,希望在不久的将来这种新型高能电池会逐渐改变我们的生活。


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