近日，最新一期《自然》（Nature）雜志子刊《科學(xué)報(bào)道》（Sci. Report）刊發(fā)了復(fù)旦大學(xué)教授吳宇平領(lǐng)導(dǎo)的課題組關(guān)于水溶液鋰電池體系的最新研究成果。
據(jù)該課題組實(shí)驗(yàn)測(cè)算，這一技術(shù)制造的新型鋰電池，能量效率高達(dá)95%，它的能量密度（即同樣大小、質(zhì)量的情況下單位儲(chǔ)存電能），比目前普遍采用有機(jī)電解質(zhì)的鋰離子電池高出80%。該課題組研究人員介紹，預(yù)計(jì)裝備這一新型水鋰電池的電動(dòng)汽車，滿電狀態(tài)下行駛距離可達(dá)400公里，而充電時(shí)間僅10秒鐘左右；如應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)，待機(jī)時(shí)間可增加一倍以上。
吳宇平則在接受記者采訪時(shí)表示，這一成果經(jīng)《科學(xué)報(bào)道》刊發(fā)后，短短幾天，已有美國(guó)新能源汽車開發(fā)的相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)出合作請(qǐng)求，但復(fù)旦方作為擁有原創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)方，更希望尋求與國(guó)內(nèi)企業(yè)合作，盡快將這一成果在國(guó)內(nèi)運(yùn)用，推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展。
“高性能水鋰電池從公布的數(shù)據(jù)來(lái)看，能量密度能夠得到大的提升，循環(huán)性能也沒(méi)有惡化，使用水系電解液也使安全性得到一定的保障，從這些方面看，水鋰電池代表了鋰電池發(fā)展的方向。”北京賽迪經(jīng)智投資顧問(wèn)有限公司高級(jí)咨詢師張謙在接受本報(bào)記者采訪時(shí)表示。
“正如其發(fā)明者吳宇平教授所強(qiáng)調(diào)的，水鋰電池研發(fā)目前只是在原理上實(shí)現(xiàn)新突破，并在實(shí)驗(yàn)室得到了驗(yàn)證，但科學(xué)發(fā)明從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程并非一蹴而就，有很多問(wèn)題仍需要解決。”張謙向本報(bào)表示。
“電位穿越”理論
從1859年勒克郎謝發(fā)明鉛酸蓄電池，之后鎳-鎘電池、鈉硫電池、液流電池以及較新的鋰離子電池、水溶液可充鋰電池（簡(jiǎn)稱水鋰電）直到復(fù)合超級(jí)電容器，一百多年來(lái)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展一直備受矚目。
吳宇平課題組采用復(fù)合膜將金屬鋰進(jìn)行包覆，而后將其置于pH值呈中性的水溶液中，與鋰離子電池中傳統(tǒng)的正極材料如尖晶石錳酸鋰組裝，制成了平均充電電壓為4.2V、放電電壓為4.0V的新型水鋰電池。
另外，該課題組還首次提出了鋰離子在該復(fù)合膜發(fā)生“電位穿越”的理論。
據(jù)介紹，鋰電池的主要工作原理是依靠鋰離子在正負(fù)電極之間的遷移而產(chǎn)生電流的。這種遷移是在溶液中進(jìn)行的。但是由于低電位的鋰離子會(huì)和水溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（析出氫，生成氫氧化鋰），從而使電池自身發(fā)生損耗，不能發(fā)生可逆充電，因此水鋰電池研究要解決的核心問(wèn)題就是如何防止鋰離子和水在低電位發(fā)生反應(yīng)。而采用原有的“極化”（即不斷嘗試使用新型的材料制作電極）解決方案，只能使水鋰電池所產(chǎn)生的電壓最多達(dá)到2.0V，而且充放電效率低。
吳宇平介紹，該課題組則換了另外一種思路用高分子材料和無(wú)機(jī)材料制成復(fù)合膜，包裹在金屬鋰外。而這層復(fù)合膜成為了鋰離子的電位在正負(fù)極之間“時(shí)空穿越”的“隨意門”和“時(shí)光機(jī)”在這個(gè)膜的作用下，質(zhì)子和水分子無(wú)法在低電位下得到電子，就不會(huì)在鋰離子遷移過(guò)程中發(fā)生析氫或者水的分解。
吳宇平道：“你可以把它形象地想象成鋰離子的電位經(jīng)過(guò)膜，一下就到了負(fù)極，然后又直接從負(fù)極回到正極，就好像科幻片中，人跨過(guò)時(shí)光門可以直接在地球和外太空之間往返。”因此，吳也把這一新發(fā)現(xiàn)稱作“電位穿越”。
據(jù)課題組介紹，新型水鋰電，可以大幅降低電池的成本，提高其能量密度，從而使電池充電時(shí)間更短，儲(chǔ)存電量更多，耐用時(shí)間更久。該體系計(jì)算的實(shí)際能量密度大于220 Wh/Kg（瓦時(shí)/公斤），能量效率高達(dá)95%，預(yù)計(jì)裝備這一新型水鋰電的電動(dòng)汽車的行駛距離有望達(dá)到400公里，而現(xiàn)在市面上售賣的電動(dòng)車出行距離為150-180公里（如榮威E50在60公里等速時(shí)續(xù)航里程為180公里）。
產(chǎn)業(yè)化之路還很漫長(zhǎng)
“目前鋰電池技術(shù)研發(fā)的方向主要是在保證電池的安全性、循環(huán)性等基本性能基礎(chǔ)上不斷地提升能量密度。”賽迪顧問(wèn)的高級(jí)咨詢師張謙向本報(bào)表示，在傳統(tǒng)的3C領(lǐng)域，由于智能手機(jī)、平板電腦的普及，原有的電池體系能量密度不能滿足續(xù)航要求，主要通過(guò)改善電池設(shè)計(jì)和提高電池電壓來(lái)增加能量密度，但是現(xiàn)有材料體系增加電壓是存在極限的，只能提升13-20%左右。
在新能源汽車領(lǐng)域，《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》中提出到2015年電池模塊的能量密度要達(dá)到150KW/kg以上，事實(shí)上我國(guó)目前的動(dòng)力電池模塊的能量密度在100-120之間，進(jìn)一步提升能量密度，解決新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車的“里程焦慮”是動(dòng)力型鋰電池技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
“總的來(lái)看，鋰電池的攻堅(jiān)難點(diǎn)之一就是提升電池的能量密度。”張謙表示。
而縱觀上述新型水鋰電池技術(shù)，在降低電池成本的同時(shí)，主要也就是提高了能量密度，以求解決目前純電動(dòng)汽車電池成本居高不下、續(xù)航能力短、充電時(shí)間長(zhǎng)等瓶頸。
據(jù)了解，在該技術(shù)問(wèn)世之后，國(guó)內(nèi)也有眾多企業(yè)找到吳宇平以求合作，以求將該項(xiàng)技術(shù)盡早產(chǎn)業(yè)化，甚至還有工信部科技司、上海新能源汽車推進(jìn)辦公室等也對(duì)這一技術(shù)表示關(guān)注的消息傳出。
但在吳宇平看來(lái)，目前雖然實(shí)驗(yàn)室制備的水鋰電池能量密度已比目前傳統(tǒng)技術(shù)電池高出80%，但距離產(chǎn)業(yè)化還很遠(yuǎn)，需要十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。
“從設(shè)備制造研發(fā)，到材料制備工藝優(yōu)化，到測(cè)試環(huán)節(jié)，每一步都要盡可能完善，這不是兩三年的事兒。”吳宇平表示，希望未來(lái)的合作方有打“持久戰(zhàn)”的準(zhǔn)備，不要盲目樂(lè)觀。
“從報(bào)道的數(shù)據(jù)看，這種電池現(xiàn)在還只是實(shí)驗(yàn)室的一種研究，這種實(shí)驗(yàn)室級(jí)別產(chǎn)品能否經(jīng)受起放大產(chǎn)品的考驗(yàn)還是未知數(shù)，尤其是在放大產(chǎn)品后的整體性能是否還能滿足循環(huán)、安全性現(xiàn)在都還不可知，存在技術(shù)上的不確定性。”張謙也向本報(bào)表示，更重要的是這種電池的生產(chǎn)設(shè)備包括配套產(chǎn)業(yè)都不完善，產(chǎn)業(yè)化是否行得通都需要謹(jǐn)慎樂(lè)觀。
“"水鋰電池"從理論上講是存在的，負(fù)極用金屬鋰，電解液用氫氧化鋰等水溶液，選合適正極是能做成電池的。”邦凱新能源技術(shù)副總裁肖世玲向本報(bào)記者表示了類似的看法“產(chǎn)業(yè)化之路應(yīng)該還很漫長(zhǎng)”。“首先，鋰做負(fù)極時(shí)在充放電循環(huán)產(chǎn)生枝晶引發(fā)安全問(wèn)題已經(jīng)幾十年都沒(méi)解決；其次，充放電電流密度過(guò)??；再者金屬鋰在水溶液中也容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。”肖世玲表示。
