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E4253f7d4ccea8144d092c70371a3d2e 之前我們報導了麻省理工的科學研究人員,利用一種叫做M13的病毒來增加鋰-空氣(Lithium-Air )電池的反應面積,增大電池的能量密度,可讓電動汽車續航提升至550公里。現在,美國柏克萊國家實驗室提出了另外一種解決方案,能在現役的鋰離子電池基礎上增加兩倍的能量密度,同時在一定程度上提升電池壽命。

柏克萊實驗室所提出的解決方案是,在鋰離子電池中,用一種硫氧化石墨烯(S-GO)製成的奈米複合材料作為陰極反應物。使其放電效率高達6C(1C = 1.675 A/g硫元素),充電效率高達3C,同時還能確保較高的能量密度(6C時可達800 mA·h/g硫)。此外,電池的完整循環充放電次數能超過1500次,單次衰退率只有0.039%。這可能是目前為止,鋰離子-硫電池所能實現的最好水準。

1500次完整循環充放電大致可以想像成,如果一台電動汽車每天都進行一次完整的從0至100%的充放電循環的話,那麼1500次足夠使用4年左右的時間。也就說,這台電動汽車的電池在使用4年後就必須更換。而常用的鋰電池中,鈷酸鋰的循環次數可達500次左右,而磷酸鋰也只能達到1000次左右。也就是說,隨著充放電次數的不斷增加,鋰離子電池的容量在不斷「衰退」。這其實跟使用次數沒有太大關係,造成衰退的主要原因是溫度。

所以,在日常使用電動汽車的時候,電池的電量並不會充滿100%;多是保持在40%-60%這個水準上。一是避免完整的充放電縮減壽命,二是在各種溫度下降低衰退率,三就是為電動汽車的能量煞車回收留下空間。所以,像是Model S這類採用鈷酸鋰電池的車型,在設計之初就考慮到了電池組的拆卸情形。

據悉,這種新型的鋰離子-硫電池的單電池結構(Cell-level),能量密度可以達到500 W·h/kg,比當前的鋰離子電池的密度(~200 W·h/kg)高出兩倍多。即便在經過1500多次完整充放電後,其電量容量依然可以保持較高水準(740 mA·h/g硫)。如果要實現目前汽油車輛300英里(約480公里)的續航力,那麼單電池結構的能量密度就必須要到達350至400W·h/kg。所以這種新型Li/S電池的能量密度理論上完全可以滿足這一需求。

不過,柏克萊實驗室的新構想依然面臨著巨大的挑戰,那就是電池的壽命。儘管能實現1500次的完整循環充放電,但從實用性和經濟性的角度講,這還遠遠不夠。原因是,在放電過程中,鋰離子的多硫化物容易從陰極消融,與鋰陽極發生化學反應生成Li2S,從而形成一個反應屏障。這就是為什麼在經過幾次充放電後,電池的容量開始減少。

目前在電動汽車動力電池領域,鋰離子電池已經取代了傳統的鎳氫電池成為市場新寵,它的能量密度高、輸出功率大,並且充、放電速度快。我們常見的,無論是鈷酸鋰電池還是磷酸鐵鋰電池,都是鋰離子電池的一種。儘管如此,當前流行的鋰離子電池仍然存在幾大挑戰,如穩定性較差、容量易衰退,以及能量密度依然不及汽油燃料。

這些限制造成了電動汽車用車中所謂的「續航焦慮」(Range Anxiety)。對於電動汽車的普及來說,這並不是個小問題。尤其是沒有汽油機作為備用動力的純電動汽車。之前Elon Musk駕駛Model S橫跨美國,也是為了進一步打消市場對Tesla電動汽車的續航能力質疑。目前,柏克萊國家實驗室正在尋求合作夥伴,來進一步解決Li/S電池的壽命問題。

steven steven@pingwest.com

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