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真人打牌锂硫电池的发展历程及发展前景



  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年时将电池的容量提升到500Wh/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。

  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。

  其中国外的锂硫电池研发以Oxis和SionPower公司最为著名。SionPower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,SionPower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-E500万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SionPower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。

  2014年,空中客车公司的“西风7”无人机依靠锂硫电池不间断地飞行了11天/图来源:AIRBUS

  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。

  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520Wh/kg、570Wh/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。

  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1675mAh/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。

  随着新能源汽车市场的打开,上游电池产业发展也面临着巨大的发展机遇,新能源汽车对于安全性能和高能量密度的需求也越来越高,具有能量密度高、容量大、环保的锂硫电池获得较高的关注度,市场前景广阔。而且,随着移动设备、电动汽车和智能电网的飞速发展,将会获得更加广阔的发展前景。

  中国工程院院士、北京理工大学教授吴峰日前介绍说,锂硫电池能量密度已经达到545Wh/kg。这对于锂硫电池满足新能源汽车未来发展需求有较大的助力,其环保友好的特性让电池厂商不得不考虑其较高的性价比。

  严格来讲,锂硫电池是锂电池的一种,是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的锂电池,商用价值较高。超柔性锂硫电池的问世,更增强了锂硫电池的竞争力,满足柔性设备的多种应用,打开了电池市场的新天地。柔性软包的构建可以促进柔性电子的发展,同时也为负极材料的选择提供了新思路,有助于解决工业化和实际应用中金属锂负极材料的安全问题。

  随着动力电池市场格局的不断变化,电池厂商也在不断寻找适应市场需求的电池类型。不管是三元锂电池、磷酸铁锂等锂电池的发力,还是新型新能源氢燃料的紧急追赶,抑或是当下锂硫电池的发展,动力电池市场的竞争此起彼伏,能充分满足新能源汽车的市场需求,才是赢得这场“战役”的关键所在。

  相比之下,三元锂电池容量大、能量密度大,但安全稳定性让人担忧;磷酸铁锂电池安全稳定,寿命长,但低温环境下电池容量和放电能力都会受到影响;氢燃料电池作为新兴的能源电池,环保、续航里程长,但其安全性尚未得到有效解决;锂硫电池性价比较高,环保性能好、能量密度高、成本低,能否在一众电池中脱颖而出,也是让人充满期待的。

  近年来,国内外企业、高校和科研院所都对锂硫电池展开不懈的研究,也逐渐取得不错的成绩。英国OXIS能源公司2018年10月宣布成功研发出能量密度为425Wh/kg的锂硫电池,并将该电池应用于高海拔卫星,未来或许还将涉足无人机领域。在国内,2018年初,中科院大连化物所陈剑团队在锂硫二次电池技术研发的能量型锂硫电池比能量提升至609Wh/kg,再次刷新二次电池比能量记录。

  不得不说,锂硫电池产业发展已经取得一定的成就,随着当下超柔性锂硫电池的问世,相信锂硫电池发展会成为电池产业关注的热点,占据产业高地,探寻多元化应用场景的实现,任重而道远,但商业化进程已经开始提速。