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JFD: 经济全球化背景下国际锂电技术创新和发展

时间:2022-07-28 14:55:14来源:钜大LARGE

导语:​随着数码类电子产品和动力储能类产品的得到广泛应用和普及,过去数十年里全球锂电池市场快速发展壮大。

  近几年,受新能源汽车市场持续高速扩张的推动,我国锂离子动力锂电池需求猛涨市场规模继续保持高速上升,动力锂电池逐步成为锂电池产业扩张的重要上升引擎。

必威体育app下载  当前,我国锂电池产业正迎来巨大的市场机遇,但是同时也面对诸多严峻挑战。在经济全球化背景下,我国锂电池产业如何实现可持续发展,如何进一步推进产业链更加深入地协同整合和技术创新,则是广大锂电界同仁要认真思考的问题。

  在这个系列文章里,笔者将和广大读者探讨锂电产业发展的技术推动因素、经济全球化背景下国际锂电产业发展动态和趋势,以及我国锂电产业未来发展模式和展望,希望能够在我国锂电产业可持续发展的问题上给广大读者供应一些不同的视野和角度。

  随着数码类电子产品和动力储能类产品的得到广泛应用和普及,过去数十年里全球锂电池市场快速发展壮大。近几年,受新能源汽车市场持续高速扩张的推动,我国锂离子动力锂电池需求猛涨市场规模继续保持高速上升,动力锂电池逐步成为锂电池产业扩张的重要上升引擎。

  当前,我国锂电池产业正迎来巨大的市场机遇,但是同时也面对诸多严峻挑战。在经济全球化背景下,我国锂电池产业如何实现可持续发展,如何进一步推进产业链更加深入地协同整合和技术创新,则是广大锂电界同仁要认真思考的问题。

  在这个系列文章里,笔者将和广大读者探讨锂电产业发展的技术推动因素、经济全球化背景下国际锂电产业发展动态和趋势,以及我国锂电产业未来发展模式和展望,希望能够在我国锂电产业可持续发展的问题上给广大读者供应一些不同的视野和角度。

  一件工业产品或者新技术能否在商业上取得成功取决于多方面的因素,假如我们仔细分析全球众多高科技产品成功的案例就会发现,技术往往并不是最重要或者决定性的因素,比如大家所熟悉的Tesla电动汽车。但是笔者这里要强调的是,这句话假如反过来说那将是错误的。技术不是万能的,但没有科技创新和技术进步则是万万不能的!

必威体育app下载  实体制造业的发展,短时间可能受到诸如资本运作和商业模式甚至政治等因素的影响,但是放在国际产业格局下从一个较长的周期比如一二十年甚至三五十年的时间跨度里来衡量,制造业领域从根本上而言还是依靠科技创新和技术进步来推动,化学电源产业亦是如此。在深入探讨锂电产业的发展方向和趋势之前,我们有必要从深层次挖掘和厘清化学电源产业技术进步和发展的脉络。

  ➤1.1化学电源产业的技术发展历程

必威体育app下载  化学电源其实是一个非常古老的学科,假如从1859年法国人普兰特发明铅酸电池开始算起,电池工业已经有150年的历史了。让我们首先回顾一下电池工业具有里程碑意义的重大技术进步和创新:

必威体育app下载  从上面这个表格我们可以看到,从1859年普兰特发明铅酸电池到上世纪五十年代这一百年里,化学电源产业的技术进步是非常缓慢的。化学电源产业在技术上取得突破性进展的黄金时期是上世纪五十年代到九十年代这段时间,尤其是七八十年代美苏冷战正酣的时候。上世纪七十年代由于阿以战争(实质上是美苏争霸引发的局部"热战")导致了两次国际石油危机,不仅对全球政治、经济格局出现了深远的影响,而且也促使西方国家深刻地认识到寻找新型能源的重要性,从而对新型高能化学电源的研究出现了前所未有的巨大推动。

必威体育app下载  正是这一时期,欧美国家在有机电解质、固体电极材料、质子交换膜、电极过程动力学等基础研究方面取得了很大的进展。燃料动力锂电池(AFC和PEMFC)、钠硫电池(包括ZEBRA电池)和镍氢电池和锂电池这四种当今最重要的高能化学电源体系这正是在这个时期构建了基本原理。虽然锂电池是在冷战刚刚结束的1991年由SONY产业化的,但本质上还是属于冷战时期八十年代的技术成果。

  笔者个人认为,在过去近一个半世纪历程里,化学电源产业仅仅发生了两次堪称革命性的创新性突破,那就是上世纪六七十年代燃料动力锂电池的实用化和1991年锂电池的产业化。笔者之所以认为这两种高能化学电源体系具有革命性突破,是基于以下原因:

必威体育app下载  ➜燃料动力锂电池基于独特的异相电催化和开放式工作原理,从电化学器件的角度而言具有革命性和开创性意义。燃料动力锂电池独特的工作方式,使其可以同时获得相有关现有二次电池体系更高的功率和能量密度。从电化学器件的角度而言,燃料动力锂电池是相对而二次电池更高级的发展层次。

必威体育app下载  ➜锂电池则是第一次使得基于有机液体电解质的高电压高比能二次电池体系成为现实。锂电池基于嵌入式反应原理,不同于之前传统二次电池上普遍采用的异相氧化还原反应机理,从电化学器件的角度而言具有开创性意义。并且锂电池打破了负极必须是锂源的传统思想的束缚,在电化学实践上亦具有革命性意义。

  假如我们将目光回眸到过去的二三十年就会很清晰地看到,自从1991年锂电池产业化到现在长达四分之一个世纪的时间里,世界上并没有一种全新的高能化学电源体系被商业化。

必威体育app下载  假如读者朋友们对当前国际新型电化学能量存储和转换体系的研究进展有所了解的话,就应该明白在未来可预见的5-10年之内,几乎不大可能存在一种全新的高能化学电源体系被商业化的可能性。化学电源产业的技术进步,更多地是体现在对现有化学电源体系的进一步优化、改进和完善。

  虽然从实际应用的角度而言,这些改进甚至比开发全新的化学电源体系更具经济效益,但是这些技术进步并不是革命性和开创性的突破。实事求是而言,过去的四分之一个世纪里国际高能化学电源基础研究领域并未取得任何突破性进展,跟上世纪七八十年代高能化学电源技术的"井喷"形成了鲜明比较。

  ➤1.2锂电产业技术进步的艰辛

  放眼过去二三十年锂电池的技术发展历程,我们就可以很清楚地看到技术进步的缓慢和艰辛。笔者这里以最具代表性的正极材料的产业化进程来阐述这个问题。表二比较了几种主流的锂电正极材料首次被公开报道的年份、首次被工业化的时间以及大规模商用的时间。我们可以清楚你看到,这几种主流正极材料从最开始被公开报道到大规模生产和应用,所经历的时间跨度其实是越来越长了!

  当然了,有关磷酸铁锂(LFP)这种国人最"熟悉"的正极材料,很多人可能从心理上还不能接受LFP大规模商业化应用的时间会晚到2014年。但是根据高工锂电产业研究所GBII的统计数据,LFP在国内的实际销售量直到2013年之前都未曾达到了5000吨/年的商用规模,因此越来越多的锂电同仁认同LFP的商业化应用元年实际上要从2014年算起。至于近几年炒作得很火热的美国阿贡国家实验室(ANL)的富锂锰基固溶体正极材料(OLO),目前连产业化的影子都还没见到。

  因为锂电池的性能和成本在很大程度上取决于正极材料,所以正极材料是锂电四大基础材料里面研发投入最大进展也最快的领域。相比于正极材料,负极的技术进步速度更加缓慢。

  石墨材料可以作为嵌锂负极材料是法国科学家Yazami在1983年首先报道的,直到1994年日本大阪煤气公司产业化MCMB之后,锂电池的性能获得了较大的提升得以迅速占领手机电池市场而飞速发展起来。之后改性天然石墨在3C小型电池中大量使用,2005年以后人造石墨以其优异的电化学性能开始在动力锂电池上获得广泛应用。

必威体育app下载  目前全球99%的锂电负极市场份额仍然被石墨类材料所占据,其它新型负极材料比如LTO、硬碳、硅碳复合负极材料的小规模应用才刚刚起步而已,并且这些新型负极材料也不可能取代石墨负极材料的垄断地位。相比于正负极材料,电解液和膈膜的技术进步同样非常缓慢。

必威体育app下载  至于锂电生产工艺,目前液态电池的基本生产工艺跟20年前SONY所采用的仍然差别不大,而聚合物电池(非软包锂电池)的主流技术仍然是基于美国Bellcore的改进。

  电池技术本身并非高深莫测,基本原理还是当年伏打电池也就是氧化还原反应。但是,原理简单不等于性能可以很容易地提高,而电池系统是一个复杂的多变量系统。虽然电池原理简单,但是进一步提高性能取得革命性突破非常困难。要解决科学和工程的一系列问题,涉及到电化学、界面化学、晶体化学、热力学/动力学、固体物理、电子工程、机械设计等多学科交织在一起的诸多问题。

必威体育app下载  假如打开最新的i-Phone和i-Pad的后盖就会看到,主板电路越来越小而电池占据了大半体积。从目前电池技术进步的角度而言,这种尴尬估计还要持续很多年。

  实事求是而言,在过去的二十多年里,锂电池和其它高能化学电源技术进步是很缓慢的,技术进步和革新的速度远低于人们的预期。以至于多少专家被自己之前信誓旦旦的技术预测打脸,多少踌躇满志的投资人和公司家决策失误!

必威体育app下载  ➤1.3理性看待当前锂电研究"热潮"

必威体育app下载  当然有读者会说,你这是在传播"负能量",比如我们不是经常看到新闻报道说某大学开发出一种革命性的"新材料"可以使电池容量提高多少倍;或者是某公司研制出一种新型电池技术充一次电可以让电动汽车跑XXX公里吗?最近数年,类似的新闻几乎每个月都能看到。笔者个人认为,我们要理性地看待当前的锂电研究"热潮"。

  自从日本SONY公司在1991年首次将锂电池成功地商业化之后,锂电池的性能获得了较大的提升得以迅速占领手机电池市场而飞速发展起来,上世纪末在全球范围内掀起了第一波锂电产业化浪潮,和此对应的是从1996年到2002年国际上第一轮锂电基础研究热潮。

必威体育app下载  第一轮锂电研究热潮的成果极其丰硕,大多数目前商业化应用的电极材料比如三元材料,磷酸铁锂,硬碳,钛酸锂都是这个时期被发现并报道的,就连现在很热门的富锂锰基层状固溶体正极和硅碳复合负极材料,也都是这个时期最先报道的。

  美国克林顿政府在1996年拉开了氢经济(氢能和燃料动力锂电池)的基础研究和产业化的序幕,欧盟紧跟其后。在小布什总统当政的8年时间里,"氢经济"的研究在西方发达国家尤其是美国达到了巅峰状态,而和此对应的正是锂电池的基础研究从2002年开始到2007年的这6年里陷入了低谷,当然锂电的产业化还是在快速发展的。

必威体育app下载  第二轮燃料动力锂电池研究/产业化浪潮在2007年以后逐渐降温,自从2008年奥巴马当选美国总统以后,美国政府在电动汽车的战略方向就从氢能和燃料动力锂电池转向了锂电池,也就是当前国际上的第二轮锂电研究和产业化热潮。

必威体育app下载  很多从事锂电基础研究或者产业技术研发的朋友早已注意到,自从2008以后国际上和锂电相关的SCI论文成几何数量级暴增。根据WebofScience检索结果,2016年一年就发表了近一万多篇和锂电池相关的SCI论文,比2006年之前十年累积所发表的SCI论文数量都还多!

  假如仅仅从SCI论文数量判断,最近数年"锂电研究"异常活跃,似乎预示着下一个黑科技突破近在咫尺,但是问题并非想象的那么简单。假如我们仔细研读DOE近几年在锂电方面的年度报告(BATT和ABR项目)、欧盟ALISTORE项目以及日本NEDO这几个全球最具重量级的国际锂电政府研究项目这几年的年度报告就可以看到,和上世纪末成果丰硕的第一轮锂电研究热潮相比,这一轮的锂电基础研究基本上没有取得任何突破性进展,反倒是具有明显的学术"泡沫化"特点,具体表现在"纳米锂电"和磷酸铁锂两大方面。

  这两个领域的SCI论文占了70%以上的论文数量,也就是大家通常所说的SCI论文"灌水"。有关这些锂电学术界的不正之风,J.B.Goodenough、J.R.Dahn和M.Armand这几位锂电科研大佬在诸多国际学术会议场合屡次提出尖锐批评。

必威体育app下载  事实上,笔者一直认为产业界而非学术界才是第二轮国际锂电研究热潮的主体,因为锂电是个典型的应用性学科并且锂电产业化已经超过25年。那么,锂电领域每年发表的专利主题和数量上的变化基本上就可以反映出国际锂电产业界的技术创新热度和发展趋势。

必威体育app下载  锂电材料方面的国际专利检索和分析是笔者多年的工作领域之一,笔者的统计数据表明国际锂电相关专利的数量在2015年达到峰值,之后2016年和2017年每年新增专利数量都是持续下降的。一般专利的申请到公开发表有大约2年左右的滞后期,也就是说国际锂电产业界在技术研发方面其实在2013年就发生了逆转,时间点正好对应着美国A123的破产。这个节点难道仅仅只是巧合吗?笔者在后面章节还会详细分析。

  既然这一轮的锂电基础研究热潮到目前为止并没有取得任何突破性进展,DOE下一阶段在高能电化学电源领域改变资助方向将是迟早的事情。美国特朗普总统上台之后,随即大幅度削减锂电方面的研究预算,ARPA-E项目整个砍掉DOE经费大幅削减,在笔者开来这实际上是对第二轮锂电研究热潮泡沫化的矫枉过正。而欧盟(EU)已经在2016年下半年悄然将研究重点重新调整回氢能和燃料动力锂电池领域。

  事实上,美国DOE的技术路线和发展目标一直是我国科技部和工信部制订新能源汽车方面科研和产业化政策的基本参考依据。那么,DOE下一轮有关新型高能化学电源的研究和产业化重点会转移到什么领域?让我们拭目以待。

必威体育app下载  ➤1.4全球化学电源技术发展放缓的深层次原因

  那么一个很现实的问题,为何在过去的二十多年里高能化学电源技术方面的突破性创新相比上世纪七八十年代明显放缓甚至出现了停滞呢?在笔者个人看来,重要的原因可能在于以下两个方面:

  ➜科学技术的重大进步总是有个量变和质变过程,重大技术革命性突破所出现的质变极大地推动社会前进后,会消耗尽前期积累的大量的小量变,所以便会在一段相当长的时间内缓步前进,这是一个浅显但很深刻的道理。当然,并不是说技术马上就会停止进步,技术目前仍然在上升,但上升的步伐会慢下来。

必威体育app下载  也就是说,目前全球科学技术很可能正在进入一个"上升的停滞"时期,至于时间的跨度,则很有可能将是一段非常长的时期。美国乔治梅森大学经济系教授泰勒•考恩写了一本书,叫做《大停滞》,书中对全球科学和技术进步放缓对美国经济和社会的影响有深刻的论述。

  普通民众之所以感觉到科技发展越来越快,一方面是由于"滞后"效应,另一方面是由于IT、通讯和网络技术在上个世纪八九十年后的异军突起掩盖了其它领域在技术进步上的停滞不前。很多现代高科技产品如手机,其原型在半个世纪前就存在了,但一直是一种奢侈品,只有在其它部门的配套科技水平(微电子)跟上来之后,再加上商业化组织和营销方面的创新,手机才大规模推广开来。

  但有关使用智能手机的普通民众而言,感觉高科技却是离自己如此之近!但是有关大多数实体制造业领域包括化学电源产业,在过去一二十年里几乎都出现了"技术革命停滞"的现象。

  ➜目前技术发展相对停滞,笔者个人认为很大程度上是由于冷战结束苏联解体造成的。二十世纪有两次科技大发展的黄金时期,一个时期是在二战之前和二战中的三四十年代,另外一个时期就是冷战正酣的七八十年代。

必威体育app下载  尤其是后者,更是人类高科技的"井喷"时期。具体到高能化学电源的发展,六七十年代由于美苏宇航争霸而推动了燃料动力锂电池(AFC)和高压镍氢气电池的实用化。各种和电子设备对高能化学电源的需求这推动了钠硫电池、常压镍氢电池和一次/二次锂电池的产业化。

必威体育app下载  笔者并非鼓吹战争,但是实事求是而言,和航宇需求对高科技的推动远非民用所能比拟。科技发展很多时候真的是摸着石头过河,很多重大基础学科的发现要天文数字般的人力物力和财力的投入,而这种投入只有国家机器才能完成。

  民用领域则是将利润和经济效益按在第一位的,从过去的相关相关经验来看,纯粹民用对高科技的创新性突破的用途其实是很有限的。化学电源领域有一个很好的例子就是质子交换膜燃料动力锂电池(PEMFC),PEMFC最初的快速发展是跟加拿大部在上世纪八九十年代对Ballard公司持续巨额的研发经费支持分不开的。

必威体育app下载  在过去一二十年里,国际上已经有数十国海军列装以PEMFC为动力的AIP,这足以说明PEMFC本身在技术上的高度成熟和可靠。但是燃料动力锂电池电动汽车的商业化进展在过去数十年里却并不顺利,现在业内人士普遍认为燃料动力锂电池电动汽车的商业化就是临门一脚的事情,而且日本Toyota、Honda和美国GM已经开始小批量商业化生产燃料动力锂电池电动汽车。

  但是笔者个人认为,在未来数十年之内,燃料动力锂电池电动汽车的大规模商业化仍然是不现实的。这其中的原因固然是多方面的(具体内容参看《高工锂电》相关文章"纯电动汽车动力源探讨:锂电池VS燃料动力锂电池"),既有技术瓶颈的制约但更多的则是经济效益上考量,而当前欧美缺乏国家意志上的强力推动则是最重要原因之一。

  假如我们能够将这两方面结合起来思考的话,就会明白为何在过去了二十多年的时间里锂电池产业并未出现革命性的突破,全世界没有全新的高能化学电源体系被商业化的内在原因了。锂电产业是一个资本加技术密集型的高科技行业,属于典型的实体经济范畴,所以锂电领域内具有产业意义上的技术进步仍然是很缓慢的,要解决科学和工程方面的一系列难题,取得革命性突破非常困难。

  了解到这个现象对我们理解锂电的发展趋势有关系吗?有,并且关系实在是太大了。因为后面笔者对国际锂电产业发展趋势和格局的研判,都是建立在全球技术发展放缓甚至相对停滞这一客观规律的基础之上。

  ➤1.5辩证看待全球化学电源技术发展放缓

必威体育app下载  笔者前面分析指出,从技术创新和进步的角度来说,当前国际化学电源产业还处在一个量变的阶段,还不能够预见质变到来的临界点。科技发展总是一个缓慢的量变过程,处于领先地位的公司或者国家,总是要投入大量资金(相有关质变来说)才能缓慢的前进(因为有关探索者而言科研存在大量的试错问题),而追赶者则可以投入较少的资金就可以循着领先者的道路前进,因为没有试错问题其追赶速度就会高于领先者,这就是所谓的"后发优势"。

  处在这个阶段,后发者不断得到的是正确的方向和技术而不是先行者失败的教训。在这种情况下,后发者(国家或者公司)完全有可能在下一次科技革命到来之前,充分利用后发优势而处于和先行者同样有利的位置参和到新一轮的科技革命之中,从而一跃成为技术发达国家或者公司。

必威体育app下载  当然了,后进国家或者公司利用后发优势赶超是有前提条件的。在笔者个人看来,有两个前提条件至关重要:一个是选对赶超目标(国家或者公司),另外一个前提条件就是选对赶超方向有选择性突破。

  其实,假如我们比较一下我国和韩国锂电产业的发展历程,相信读者朋友们就可以很清楚地认识到为何说这上述这两个前提条件至关重要了。相关的话题,笔者在后面的章节里还要详细展开论述。

必威体育app下载  ➤1.6高能化学电源产业技术发展趋势

  电池技术本身并非高深莫测,基本原理还是当年伏打电池也就是氧化还原反应。但是,原理简单并不等于性能可以很容易地提高,而电池系统是一个复杂的多变量系统。具体讨论高能化学电源产业的技术发展趋势和方向,涉及到多学科的综合,属于非常专业的高科技领域。这里,笔者将抛开深奥的电化学、固体化学以及电催化方面的科学原理,站在宏观的角度深入浅出地对高能化学电源产业的技术发展趋势进行讨论。

必威体育app下载  首先我们要思考一个基本问题,二次电池的根本发展方向是什么?假如我们比较过去一百五十年里各种商品二次电池的能量密度,就会非常清楚地看到这种递增趋势,同时还有循环性能的指数新增趋势。这其中,能量密度的提升是根本性的指标。那么读者就应该能够明白,相有关当前镍氢电池遭遇的产业困境,为何锂电池在过去二十年里应用市场不断扩大发展飞速发展的根本原因了。

  道理很简单,因为目前所有商品化的二次电池体系中,锂电池不仅能量密度最高而且同时还具有超长循环寿命。至于其它技术指标比如倍率性、温度性能等等,则不是核心问题。

必威体育app下载  那么未来可能会有其它的新型化学电源体系取代现有的锂电池体系吗?其实,二次电池实质上是以带电荷的离子(H+、Li+、Na+、Al3+、Zn2+等)作为电能储存载体,离子的荷质比(Q/M)在某种程度上就决定了该电池体系的理论能量密度。在这些离子当中,H+的荷质比最高(1.0),其次是Li+(0.144),Al3+(0.111),Mg2+(0.083),Na+(0.0455)。

必威体育app下载  因此从这个角度而言,化学电源的比能量是有限的,受到体系理论容量和工作电压的限制而不可能遵循莫尔定律。锂在已知的金属中具有最负的标准电极电势和仅次于氢的理论比容量,使得锂系电池在所有二次电池体系中理论能量密度最高。因此,非水体系高能二次电池必然是以锂系电池为主,其它电化学体系(钠离子、镁离子电池等)为辅。那么很多读者关心的问题,锂系二次电池将会朝什么方向发展?

  从电化学的角度而言,现有的锂电池其实只能算是"半个"高能电池,因为它的高比能量重要是建立在负极极低的电极电势基础之上,目前使用的过渡金属氧化物正极材料不管是工作电压还是比容量都跟水系二次电池的正极材料相差不大。

  因此,要想使锂离子电成为"真正"的高能电池,只有两条道路:提高电池工作电压或者提高正负极材料的比容量。因为负极工作电压已经没有降低的可能,那么高压就必须着眼于正极材料。5V镍锰尖晶石由于容量较低,实际上并不能有效提升电池的能量密度。

  目前富锂锰基固溶体(OLO)的实际容量可以达到250mAh/g,已经很接近层状过渡金属氧化物正极的理论容量。Si/C复合负极材料以及硅基合金负极材料的比容量已经达到了600-800mAh/g,这个容量范围实际上是其实用化(抑制体积变化)的极限。

必威体育app下载  假如OLO和高容量硅基负极搭配,能量密度可以达到350Wh/Kg的水平。而更具实际应用价值的高镍NMC正极和Si/C复合负极材料搭配体系,实际能量密度在300Wh/Kg略高的水平,这个能量密度指标几乎是实用化的常规液态锂电池能量密度的极限。

  要想进一步提高锂电的比能量,那么就必须打破现在的嵌入反应机理的束缚,跟其它常规化学电源相同采用异相氧化还原机理,也就是采用金属锂做负极。但是锂枝晶容易导致短路以及高活性枝晶和液体有机电解液的强烈反应,使问题又回到了锂电池的起始点。

必威体育app下载  其实,锂电池采用石墨负极的根本原因,正是因为石墨嵌锂化合物(GIC)防止了金属锂枝晶的形成,并且GIC降低了金属锂的高活性使得稳定的SEI界面成为可能。所以,基于嵌入反应的锂电池其实是不得已的折衷办法!

  那么有没有办法解决金属锂的问题呢?理论上,采用固体/聚合物电解质或者在液态电解液添加无机添加剂都有可能缓解锂枝晶问题,但是在电芯的实际生产和使用上会面对诸多技术困难,并且限制了工作电压的进一步提升空间。

  笔者个人认为,只有采用无机固体电解质的全固态锂电池(All-solid-stateLi-ionbattery)才有可能让基于金属锂负极的高能(高电压)二次电池体系产业化成为可能。日本Toyota(丰田汽车)是国际上全固态电池的领头羊,Toyota在该领域已经有近20年的研发积累,目前其发展出的原型电池在技术水平上大幅领先其它公司和科研机构。使用金属锂负极的全固态二次电池自然是"最终锂电池",产业化难度极大。在笔者看来,假如基于金属锂负极的全固态锂电池未来能够产业化,那将是可以跟常规液体电解质锂电池产业化相提并论的革命性突破。

必威体育app下载  为何笔者不认为当下研究得很热门的锂硫和锂空电池是锂电池下一个突破点呢?其实Li-S和Li-Air电池都是老掉牙的体系,只是近些年又被重新包装热了起来。对S正极的研究衍生出了两个方向,一个是高温的Na-S电池(日本NGK已经有数十年的产业化相关相关经验),另外一个方向就是目前研究得比较热门的常温Li-S电池。

必威体育app下载  目前,Li-S电池仍然存在诸多技术难题,还未达到产业化要求。由于Li-S电池独有的"多硫离子穿梭效应",除了在一些小众或者特殊应用领域,笔者并不认为Li-S电池会获得广泛商业应用。

必威体育app下载  Li-Air电池则属于空气电池的范畴。有一定电化学功底的读者应该明白,要想进一步较大幅度提高现有电化学体系的能量密度,就必须考虑利用空气中的氧气作为氧化剂,因为理论上氧气并不计入电极活性物质重量。按照这个思路就发展出了各种金属-空气电池,相比较较成熟的是一次锌空电池,而目前研究得最热门的是二次Li-Air电池。

  但是在笔者个人看来,金属-空气电池特别是二次金属-空气电池,实际上是把二次电池和燃料动力锂电池两者的缺点有机地结合在一起,并且放大了缺点。因此,二次Li-Air电池根本不具备产业化的可能性,其中的科学道理由于篇幅的限制笔者这里不再赘述。比如IBM投入巨资花费数年时间研究锂空电池,最后发现悲剧了该项目被完全砍掉。

必威体育app下载  笔者之所以认为全固态锂电池将是继常规液态锂电池之后的革命性突破,重要是因为一方面其能量密度将会有较大提升,另一方面全固态锂电池将会在生产技术上形成较高的技术壁垒。

  什么是技术创新?技术创新简单讲就是因为技术难度高,对手无法很快山寨你的技术,Li-S电池显然不具备这个最基本特点。而全固态锂电池要求电池生产厂商具有相当的研发和技术水平,因为不管是正极还是金属锂负极所必须采用的包覆技术,并且固体电解质的生产也必须由电芯厂商自己完成,这就完全颠覆了当前的电池厂商可以在市场上购买所有电极原材料而只负责电芯生产的的模式。

  更重要的是,全固态电池的生产工艺流程和技术跟当前的常规液态锂电池完全不同。这一切,都会给全固态电池的产业化带来相当高的技术壁垒,而这种高技术壁垒恰恰是化学电源出现革命性突破所必须具备的,否则还能称之为"革命性突破"吗?

必威体育app下载  但是笔者这里要强调的是,由于固体电解质中离子传输的速度较慢,并且固体电解质和正负极材料界面的电阻很大,这两个基本特点决定了全固态电池的倍率性能必然是其短板,并且全固态电池的循环性和温度性能也会面对很大挑战。

  因此笔者个人认为,全固态锂电池将来有可能在3C小型电子设备上获得实际应用,大型动力锂电池或许并非其重要应用领域。基于全固态电池的特点,全固态电池将是常规液态锂电池的重要补充,不大可能取代液态锂电池成为锂电商业化主流方向。根据当前国际上全固态锂电池的研究和产业化发展状况(日本在该领域居于领先地位,而我国在全固态锂电池研究领域比较薄弱),笔者不认为在未来5-10年之内全固态锂电池有大规模商业化的可能性。

必威体育app下载  二次电池的能量密度肯定是有上限的,不可能遵守摩尔定律。通俗地讲,这是由于二次电池密封式的工作方式决定的。二次电池必须向全密封系统发展而力求做到免维护(这点对锂电而言至关重要),而正是因为二次电池是个密封系统,才决定了它的能量密度不可能很高。否则的话,一个密闭的高能体系跟炸弹又有什么差别?从最基本的能量守恒定律就讲不通!那么,要想获得更高的能量密度,就必须采用开放式的工作原理,比如金属空气电池(半燃料动力锂电池)和燃料动力锂电池。

  笔者前面分析过,金属空气电池由于一些最基本技术限制,决定了不可能大规模应用。因此,从高能化学电源的最根本需求(追求更高能量密度)而言,燃料动力锂电池必然还会有下一轮的研究和产业化热潮,因为到目前为止没有任何一种二次电池体系在能量密度和功率密度上可以跟PEMFC相提并论,这个根本特点决定了PEMFC的发展后劲。

必威体育app下载  燃料动力锂电池独特的异相电催化反应过程,使得不管是氢的电化学氧化还是氧的电化学还原,都可以在Pt/C催化剂表面获得较高的交换电流密度。而PEMFC的能量密度则取决于储氢系统的储氢量,同样也可以通过新增储氢罐体积或者数量而获得提升。

  也就是说,PEMFC系统可以同时兼具高能量密度和高功率密度,这一本征特点特点则是任何一种二次电池都不可能具备的,其根本原因在于封闭体系和开放式工作方式的本质差别。而同时兼具高能量和高功率的工况特性,恰恰是现代汽车对动力系统的最基本技术要求。站在电化学器件的角度,相较于二次电池,燃料动力锂电池是化学电源的一个更高的发展层次。

  从根本上而言,二次电池是一个能量存储装置,通过可逆的电化学反应实现电能的存储和释放。而燃料动力锂电池则是一个电能生产装置,它通过电催化反应将燃料中的化学能转换成电能释放出来,工作方式跟内燃机比较类似。燃料动力锂电池和二次电池在工作方式上的本质性不同,决定了二次电池适用于中小功率的储能用途,而燃料动力锂电池则适合较大功率的应用。

必威体育app下载  实事求是而言,锂电池当前的产业和技术成熟度远高于燃料动力锂电池,这也是我国政府目前大力发展锂电池纯电动汽车的重要原因,而欧美日则是将燃料动力锂电池技术作为未来纯电动汽车的战略发展方向。

  简而言之,笔者个人认为高能化学电源产业的下一个创新性突破点有可能是全固态锂电池的产业化和PEMFC燃料动力锂电池的大规模商业化。就这两个领域当前的研究和产业化进展而言,笔者个人认为至少要5-10年的时间才有可能实现。


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