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【一周辣评】隔膜储存锂离子 大幅提升能量密度?

作者:admin来源:高工锂电网 日期:2018-1-8 13:44:00 人气: 标签:

  一年已尽。

  那些年初信誓旦旦叫嚣着年底如何如何的企业,是否都成了临渊而羡;那些在锂电“捞金”热潮中硕果累累的企业,是否又在政策的骤变中懊悔得鱼忘筌。而不管这一年如何动荡,作为锂电人都不得不承认,2017真的很精彩。

  这一年,市场向龙头企业的马太效应愈发凸显,中小企业的淘汰已经开始;这一年,动力企业与车企的合作进一步深化,双方的融合协同共进成为业界共识;这一年,资本对产业的烙印更加深刻,无论是兼并购还是IPO,资本已成为动力企业前行的必备选项。

  而站在技术的角度,2017年更是被誉为种种元年。以锂电之父约翰·古德诺夫为起点,各大企业及研究机构相继在“固态电池”的战场中亮剑,2017成固态电池元年;宝马、戴姆勒、通用、大众、丰田、本田、现代等主流车企纷纷宣布燃料电池汽车进度,2017成燃料电池元年;三元市场占比实现对磷酸铁锂的反超,坚守磷酸铁锂的比亚迪宣布明年纯电动车型改用三元,2017成三元电池元年。

  2017年值得说道的事情太多太多,但笔者想要强调的是,对于动力电池而言,锂电池始终都是主流的技术路线,至少数十年内不会更替。其中锂电技术的近期目标是通过高镍三元正极、硅碳负极实现300wh/kg;中期(2025年)目标是基于富锂锰基/高容量Si—C负极,实现单体400wh/kg;远期则是开发锂硫、锂空电池,实现单体比能量500wh/kg。

  当然,这个远期目标还有待商榷,科学的发展往往出人意料,尤其是锂电这个技术分支极广的行业,但其核心问题都是解决能量密度、功率密度以及安全性。

  下面就来看看本周锂电行业都有哪些新技术和大事件吧。

  1、新型燃料电池催化剂 大幅降低制氢成本

  据国外网站报道,圣巴巴拉加州大学(UCSB)的一个研究小组已经探索出一种新的甲烷制取氢气的方法,该方法较此前的技术成本更加低廉,同时也可以防止温室气体(例如二氧化碳)的生成?

  UCSB团队研究使用熔融金属和熔融盐作为全新的催化体系。实验表明,熔融合金中的不同金属组合可能增强其催化活性,将甲烷转化成氢气和固态碳。研究人员已经开发出一种单步方法,通过该方法可以将甲烷转化为氢气,比传统的SMR方法更简单,更便宜,并且副产物为方便储存的固态碳。

  研究人员将甲烷气体引入装有催化活性的熔融金属反应器的底部。随着气泡的升高,甲烷分子容器壁上催化剂接触,形成碳和氢气。当到甲烷气泡到达容器顶部时,它已经分解成氢气,并从反应堆顶部释放出来。漂浮在液态金属顶部的碳固体也可以方便分离出去。

  与依靠固体表面上发生的反应的常规方法相比,熔融金属合金表面不会因碳的积聚而失活,并且可以无限期地重复使用。及时将反应生成物中从反应体系中分离出来,可以促进反应正向进行,这个过程原则上可以在高压下运行,使得甲烷的转化率很高。

  点评:目前的燃料电池产业化还不成规模,对氢气的需求并不旺盛,因此对这种已经商业化几十年的蒸汽甲烷重整技术(SMR)并不感冒,毕竟SMR不仅消耗大量能量,还产生二氧化碳。不过随着燃料电池技术的升级,一旦实现规模化应用,这种新型催化剂的价值将成几何倍数的体现出来。

  2、新型复合锂电隔膜可储存锂离子

  瑞典乌普萨拉大学(UppsalaUniversity)的LeifNyholm教授和ZhaohuiWang研究员课题组利用简单经济的paper-making法成功合成了Redox-active复合锂离子电池隔膜,创造性地通过将惰性的隔膜层转化成有锂离子存储容量的导电高分子材料层,有效提高了锂离子电池的能量密度。

  其核心思想就是将传统的厚隔膜转换成由一层薄的绝缘层和一层厚的活性层组成的双层隔膜(Redox-activeSeparator),以此来提高锂离子电池的容量密度。

  Redox-active隔膜中薄的绝缘层由纳米纤维素纤维(NCFs:Nanocellulosefibers)构成,厚的活性层由纳米纤维素纤维和导电高分子聚吡咯(PPy:Polypyrrole)复合材料组成。在设计中,PPy层是需要对着电池正极放置的,因为当电池工作时,电化学活性的PPy材料能通过阴离子脱嵌机理为电池提供正极材料以外的容量。

  点评:从理论上说,通过隔膜来储存锂离子,确实能极大程度上的提升能量密度。但提升能量密度的方法何其多,这种新型隔膜除了能储存锂离子外是否还具备传统隔膜的基本功效其实很难说,而这种隔膜的存在是否会对电解液产生影响更是缺乏大量的实验,最为重要的是能否实现量产,如若不能,那这种隔膜的意义将荡然无存。

  3、ASU研究人员用陶瓷替代电解液 解决锂电池安全问题

  亚利桑那州立大学的专家们解决了一大难题,未来的电池将成为便携式小型电子件。Chan的团队提出用陶瓷来替代易燃的电解液,大部分安全问题都是由于短路引起的,电解液易着火,并引起气体散发及材料降解等连锁反应。

  目前研究人员正在利用更为稳定的固态材料替代电解液,并维持其较高的离子导电性(ionicconductivity)。目前的挑战在于,许多固体电解质易碎,团队正在探索将具有锂离子导电性的陶瓷纳米材料与聚合物相融合,旨在获得理想的固态电解质,并确保其良好的机械性能、较高的锂离子导电性及提升其安全性能。

  点评:固态电池本身就已经不是什么新鲜事情了,而陶瓷固态电解质在固态电池的众多技术路线中,甚至都排不上号,其并不出众的电化学性能,限定了它的应用场景几乎只能在手机数码等领域,当然其应用难度也低于硫化物、氧化物等固态电解质研究方向。不过总体看来,陶瓷固态电池应该很快就能真实应用在消费者手中。

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