前一陣子,浙江大學(xué)高超老師團(tuán)隊(duì)做出了優(yōu)秀的工作,即利用石墨烯做正極的高倍率性能、高循環(huán)壽命的鋁離子電池,兼具柔性功能。工作發(fā)表在了期刊《SCIENCE ADVANCES》上。
一經(jīng)推出,就得到了業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注和討論。有不少朋友都在詢問(wèn)該技術(shù)對(duì)于電池產(chǎn)業(yè)界的影響,大家非常關(guān)心該類電池技術(shù),那正好今天就展開講講對(duì)鋁離子電池的發(fā)展應(yīng)用前景做一個(gè)簡(jiǎn)單的分析展望。
1、鋁離子電池——能量密度能有多少?
首先看看作者本人的摘要中對(duì)該電池的介紹。
該工作的創(chuàng)新點(diǎn)在于,做了一種新型結(jié)構(gòu)的3高3連續(xù)(3H3C)石墨烯膜正極,其具有高質(zhì)量,取向性和局部通道,這樣可以保證電子、離子傳導(dǎo)以及足夠的活性物質(zhì)質(zhì)量。該正極容量在1.1s充電時(shí)的容量為120mAh/g,25萬(wàn)次循環(huán)后容量保證率為91.7%,在高低溫下工作性能出色,而且具有柔性。
不難看出,該石墨烯-鋁金屬的鋁離子電池的高低溫、柔性、倍率性能很優(yōu)秀,這當(dāng)然很大程度利益于制備的石墨烯電極。然而摘要是一個(gè)突出亮點(diǎn)的地方,突出的成果都會(huì)在這里反應(yīng),可是在這里電池的幾個(gè)重要的參數(shù)都沒(méi)有說(shuō):比如體積能量密度、質(zhì)量能量密度。
1)體積能量密度低的話,手機(jī)和汽車這兩個(gè)電池最為重要的領(lǐng)域中想要應(yīng)用基本是沒(méi)有希望的——空間非常有限,必須充分利用。而手機(jī)和汽車同樣都在追求長(zhǎng)續(xù)航,此時(shí)必須要求高的能量密度。
翻到文章第5頁(yè),看到了作者對(duì)自己電池性能的介紹:66Wh/kg(質(zhì)量能量密度)。
首先,66Wh/kg仍然是鋁離子電池典型能量密度范圍值40~65Wh/kg,這個(gè)數(shù)據(jù)比鋰離子電池要低很多:磷酸鐵鋰100+Wh/kg,三元的接近200Wh/kg。以鋁離子電池這樣的能量密度在手機(jī)和汽車領(lǐng)域上用,基本也只能對(duì)準(zhǔn)混合動(dòng)力汽車了,而且插混都有點(diǎn)懸,手機(jī)則更難有希望。
2)更大的問(wèn)題在于全文都沒(méi)有提及體積能量密度相關(guān)數(shù)據(jù),考慮到該電池質(zhì)量能量密度不高,使用的材料偏膨松(石墨烯等),其體積能量密度可能也很難達(dá)到三元類鋰電池的1/3。因?yàn)樵撐淖髡卟](méi)有提到這方面的數(shù)據(jù),因此筆者也只能基于已有數(shù)據(jù)和常識(shí)進(jìn)行推斷:體積能量密度數(shù)據(jù)很可能很難看。
在這里再?gòu)?qiáng)調(diào)一下體積能量密度的意義:如果造的電池不重,但是體積好大,攜帶裝載也會(huì)有很大的問(wèn)題,尤其是在移動(dòng)儲(chǔ)能用途中(手機(jī)、汽車)難以實(shí)用。而對(duì)于體積要求不太嚴(yán)格的固定式儲(chǔ)能,體積龐大的儲(chǔ)能方式可能會(huì)更合適,比如液流電池就是典型代表。
實(shí)際上,目前鋁離子電池體系很難找到合適的正極材料,釩系化合物的容量和電壓都不好看,石墨烯也只能是從矮子里撥將軍,而電解液(只能用離子液體)等方面的限制也使得鋁離子電池能量密度沒(méi)有突破的跡象,因此目前的能量密度性能極大的限制了該技術(shù)的更廣泛應(yīng)用的可能性。
2.成本分析
綜合以上兩方面性能作者報(bào)出的數(shù)據(jù),以及分析可以看出該電池可能更適合功率型場(chǎng)合,對(duì)于現(xiàn)有鋰離子電池的取代潛力不是太大,對(duì)電容的威脅倒是不小,如果成本能做下來(lái)也可以去跟能量密度差不多的鉛酸做競(jìng)爭(zhēng)。
而在最后作者也給出了一個(gè)自己的評(píng)價(jià)——主要針對(duì)capacitor-dominant high-power density energy storage system??傊褪轻槍?duì)高功率領(lǐng)域。
體積能量密度從目前來(lái)說(shuō)無(wú)從知曉,剛才也說(shuō)到了如果成本能夠做下來(lái)可能也會(huì)有一定的潛力。不過(guò)該體系用了幾個(gè)材料:石墨烯、離子液體、鋁金屬。
石墨烯正極的原料為氧化石墨烯GO,將其涂成定向膜后再還原,最后再在2850℃條件下處理才能得到最終需要的材料,與生產(chǎn)石墨需要的處理溫度相似。因此該工藝路線使用的石墨原料-石墨烯電極制備相當(dāng)于要經(jīng)過(guò)兩次2850℃的處理,這肯定會(huì)增加對(duì)于爐體的要求、耗能方面的需求。
有人可能會(huì)問(wèn):為什么二次處理石墨烯時(shí)不能降低溫度?答案簡(jiǎn)單:石墨烯如果是走的氧化還原路線,材料結(jié)構(gòu)完美程度會(huì)受氧化影響遭受破壞,溫和的還原條件是不足以解決問(wèn)題的,需要高溫才能使其有效回復(fù);而如果使用石墨烯用的是其它方法,比如CVD、機(jī)械剝離,制備的材料的質(zhì)量會(huì)很高,可能不用高溫處理,但是這些方法的量產(chǎn)能力常常非常受限。兩難之處就在于此。
另外離子液體的確也是比較重要的有發(fā)展前景的技術(shù)。然而對(duì)于鋁離子電池來(lái)說(shuō),目前其技術(shù)似乎極其依靠離子液體,其目前存在粘度大、成本高等一系列的問(wèn)題,這極大的加大了鋁離子電池的成本。當(dāng)然了,假以時(shí)日,在科研界和工業(yè)界的共同努力下,以后離子液體的確有很大的進(jìn)步空間,應(yīng)用前景值得期許。
因此總體來(lái)說(shuō),相比于現(xiàn)在常見的電池體系:鋰電池、鉛酸使用的材料都已經(jīng)比較常規(guī),可以做到穩(wěn)定的量產(chǎn),這對(duì)于(尤其是近年來(lái))降低電池成本起到了相當(dāng)大的支撐作用。但是對(duì)于鋁離子電池體系來(lái)說(shuō),原料產(chǎn)業(yè)化、經(jīng)濟(jì)實(shí)用化的工作,還有相當(dāng)多的工作要做。
3.你真的敢1.1s給電池充滿電么?
實(shí)際上這一類文章的槽點(diǎn)是共性的:如果真的要1s充滿電,對(duì)于一個(gè)很小容量的實(shí)驗(yàn)室量級(jí)的電池自然是可以。而如果是手機(jī)電池呢?按10Wh一塊1s充滿的話,充電功率是36kW,大家回憶下自己初中物理學(xué)習(xí)到的計(jì)算發(fā)熱量的焦耳定律,以及看看自己家電表,然后好好琢磨一下是否可行。
針對(duì)這一類文章,鋰電泰斗Goodenough老爺子早有文章分析和批評(píng),在此直接援引一下,歡迎大家學(xué)習(xí)。《Unsupported claims of ultrafast charging of LiFePO4 Li-ion batteries》http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775309009987
總結(jié)
鋁離子電池技術(shù)的確有自己的特色,然而缺點(diǎn)也很明顯。希望其在未來(lái)的發(fā)展中能夠在能量密度、成本下降潛力方面實(shí)現(xiàn)突破,從而加速其實(shí)用化進(jìn)程。