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新合金增加一倍電池容量 冷凍電子顯微鏡揭露鋰枝晶之謎

責任編輯:editor006

作者:陳堯

2017-11-06 16:03:06

摘自:高工鋰電技術與應用

近日,鋰電材料和設備企業璞泰來正式登陸上交所,再一次證明了鋰電行業的熱度。研究人員還發現,在碳酸鹽基電解質中的枝晶沿著一種特定方向生長為單晶納米線。

近日,鋰電材料和設備企業璞泰來正式登陸上交所,再一次證明了鋰電行業的熱度。讓人不由的感概,不愧是有42人進入胡潤富豪榜的行業。

與之相交輝映的是,擬啟動IPO的寧德時代估值達840億元;松下宣布投資1000億日元增產鋰電池業務。一個是中國老大,一個是世界巨頭,隱隱有一種拉開新能源競爭全球化序幕的味道。

事實上,新能源競爭全球化的趨勢早就體現出來了,可以看到的就是各大新能源強國宣布禁售燃油車的時間節點,以及國內主流車企相繼宣布非常詳細的新能源戰略規劃。全球都將重點放在了新能源,2020年后,失去補貼保護的中國鋰電,勢必要同世界主流企業展開“廝殺”。

慶幸的是國內已經做出了應對,從2016的一系列政策調整中就能明顯的感受到,國家的政策已經從普惠型向扶優扶強型轉變,目的就是塑造出一批做大做強的企業來同國外巨頭們競爭。而政策趨勢下的市場表現就是排名前十的電池企業占據著80%的市場份額。

新能源行業競爭升級已是板上釘釘的事實,筆者相信,在這樣的激烈碰撞下,電池技術也將得到巨大的進步,畢竟科學才是第一生產力,技術才是企業最核心的競爭力。筆者認為,目前最可期的就是固態電池的商業化,這也將成為各大車企逐鹿市場的殺手锏。

下面就來看看本周鋰電行業都有哪些大事件和新技術吧。

1冷凍電子顯微鏡揭露鋰枝晶之謎

鋰電池最大的安全問題就是電極表面鋰沉積會形成“枝晶”(dendrites),而且它會繼續生長,從而造成電池內部短路引起電池故障或可能引發火災。但關于鋰枝晶的原子結構卻一直不甚了解。

而近日斬獲2017年諾貝爾化學獎的冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)技術,能夠在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品。利用該技術,研究人員捕捉到了首張原子級鋰金屬枝晶的圖像,發現每個鋰金屬枝晶是一個長條狀,且成型完美的六面晶體。而此前通過電子顯微鏡鏡觀察到的只是不規則形狀的晶體。

研究人員還發現,在碳酸鹽基電解質中的枝晶沿著一種特定方向生長為單晶納米線。其中一些會在“生長”過程中出現打結的情況,但它們的晶體結構仍然完整的。

另一位參與此項研究的斯坦福大學博士生yuzhang li稱,還能看到固體電解質界面膜(SEI),同時還揭示了在不同電解質中形成的不同的SEI納米結構。因為當電池充電和放電時,同樣的涂層也會在金屬電極上形成,所以控制它的產生和穩定對于電池的高效利用至關重要。

點評:不愧是獲得諾貝爾獎的新技術,從原子的角度更清晰的解剖了鋰電池的原理。事實上,現代醫學就是基于顯微鏡的巨大進步,而很多宏觀現象都能通過微觀視角來解釋,包括鋰電池。通過該技術的描述,筆者仿佛看到了鋰硫電池大規模應用的可能性,要知道,從能量密度的角度,鋰硫電池遠超目前的三元體系,包括即將產業化的固態電池,但就是鋰枝晶死死的扼住著鋰硫電池的咽喉。

2新合金可增加一倍鋰電池容量

Kreder和他的團隊通過簡化的制造方法省去了繁瑣的涂覆工藝。當錫被鑄造成塊時,錫能夠直接加入到鋁中,從而形成合金,然后可以機械地軋制(相對便宜和普通的冶金合金化工藝)成納米結構的金屬箔。最后一步,材料中的顆粒減少,這是至關重要的。

Kreder解釋說:“錫可以與鋰形成合金。 不幸的是,如果使用錫箔或者甚至使用微米大小的錫顆粒,錫在與鋰形成合金時由于體積膨脹而循環時會斷裂,這意味著如果用大的錫顆粒制造電池,僅能維持數十次的充放電循環,但如果制造納米級的錫顆粒,合金化過程中顆粒不會分裂。”

研究人員將所得到的材料稱為交叉共晶合金(IdEA)陽極,他們認為其厚度僅是傳統陽極材料的四分之一,而重量僅有傳統材料的一半。他們在小型鋰離子電池中對這種陽極材料進行測試,然后對其進行充電和放電以測量性能。他們發現,這種陽極的電量儲存能力是傳統銅-石墨陽極的兩倍。

點評:合金的使用一直都是人類歷史上最偉大的創造之一,但是化雜種為雜交,并不是一件容易的事情,尤其是動力電池這種十分講究綜合性能的產品,其成本、工藝、效率、循環等等都是需要考慮的,而容量只是其中之一,單純強調某一性能的研究報告,在筆者看來,都是耍流氓。

3“電池醫生”為動力電池快速診斷

在上海工程技術大學汽車工程學院,嚴曉教授帶領動力電池實驗室團隊黃賽杰等,成功研制出這樣一個“電池醫生”,給“上了年紀”的新能源汽車快速準確診斷。

嚴曉說表示,新能源車的電池包由一節節小電池組成。將小電池視為一個單位,每一節都由BMS(電池管理系統)監管,它們及時報告自己“生病與否”。為了能聽懂電池的“訴求”,團隊根據廠家提供的BMS 通信協議編寫程序,最終將電池信息準確翻譯出來。進而,采集到電池的基礎信息——電壓、電流和溫度等。

盡管目前研發起步階段只能采集電池基礎信息,但這就像找到新世界大門的鑰匙——“只要使用正確的模型和算法,依靠它們就能得出更深一層的數據信息,”黃賽杰介紹,比如SOC(電池剩余電量)、SOH(電池健康狀態評估)等一系列參考指標,從而根據歷史數據預測電池壽命、評估殘值。

點評:動力電池的殘值確實是每個車企都非常關注的東西,花那么多錢買回的電池,才用上20%就被迫退役,擱在誰身上都心疼。如果這項診斷技術能夠成熟的話,不僅對在役動力電池起到重大作用,對后續的梯次利用也極為有利,再與北理工監控平臺結合的話,應該是一個比較理想的電動汽車生態。當然,這只是筆者的一廂情愿,畢竟這項技術才剛剛起步。

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