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锂离子电池是新能源储能器件及关键技术

2020-03-23 14:41汽车资讯 人已围观

简介 苏方远,我国科学院炭材料重点实验室、我国科学院山西煤炭化学研究所副研究员,重要研究领域包括新型电化学储...

苏方远,我国科学院炭材料重点实验室、我国科学院山西煤炭化学研究所副研究员,重要研究领域包括新型电化学储能器件体系及工艺开发、碳材料电化学过程模拟、基于多孔电极理论的储能器件仿真、机器学习在储能器件开发中的应用等。作为负责人及执行负责人完成和主持国家、山西省和国内外公司委托项目十余项,涉及锂离子电池、超级电容器、锂离子电容器、锂硫电池等多种电化学储能器件。


4核心提示新能源储能器件之锂离子电池(一)


锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存在,只有锂离子,是一种二次电池(),它重要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。


锂离子电池优势明显,电压高单体电池的工作电压高达3.7-3.8V;能量大,能达到的实际比能量为555Wh/kg左右;循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以上;安全性能好;自放电小,室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右;可快速充电。但与其它充电电池不同,锂离子电池的容量会缓慢衰退。


5 核心提示新能源储能器件之锂离子电池(二)


在全球电动汽车市场快速上升带动下,全球锂离子电池快速上升。2018年,全球锂离子电池产业达到412亿美元,按容量计算达到200GWh。2018年,我国锂离子电池市场1700亿元,动力890亿元,消费类电池750亿元,占3-4%。从2017年开始,超过消费类电池。


关于动力锂离子电池行业来说,2018年全球新能源汽车销售210万辆,其中69%为纯电动,31%为插电式混动。根据2017年工业和信息化部、发展改革委和科技部联合公布有关印发《汽车产业中长期发展规划》,到2020年,新能源汽车年产销达到200万辆,2025年,新能源汽车占汽车产销 20%以上。


6核心提示新能源储能器件之锂硫电池(一)


锂硫电池是锂离子电池的一种,是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂离子电池。锂硫电池以硫为正极反应物质,以锂为负极。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子,正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物,正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所供应的放电电压。在外加电压用途下,锂硫电池的正极和负极反应逆向进行,即为充电过程。单质硫在地球中储量丰富,具有价格低廉、环境友好等特点。除了能量密度非常高外,锂硫电池生产成本比较低,在使用后低毒,对环境基本没有污染,回收利用的能耗较小,是一种非常有前景的锂离子电池。但最大的劣势在于其循环利用次数比较低,极大地新增了锂硫电池的使用成本。


国外锂硫电池研发较早,处于产业化初期。美国Sion Power公司,2016研发制作的锂硫电池,20Ah,400Wh/kg,1C循环350次;英国OXIS,2018年研发制作的锂硫电池能量密度425-500Wh/kg,循环低于100次。


目前,国内已有部分研究机构制作出锂硫电池样品,但距离成为工业化产品还有很长的路要走。2018年,中科院大连化物所研发制作的锂硫电池,能量密度为609Wh/kg。2019年,北京理工大学研发制作的锂硫电池,能量密度545Wh/kg。但由于锂硫电池极片载硫量低,体积比能量低,不能满足工业化需求;循环寿命、功率输出、充电时间等未能满足要求;金属锂负极的安全性和长循环寿命还未得到很好的解决(锂枝晶生长,金属锂粉化),其产业化遇到了瓶颈。


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原标题:能源革命对外开放百家论坛之一五六


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