市場對鋰離子電池性能的要求從高能量密度逐步向低成本、高安全發展。 圖片來源：IPR DAILY中文網
鋰離子電池要大規模應用，制造費用偏“貴”，因為要考慮到在線維護以及回收處理的問題、電池的使用壽命問題、系統安全問題，以至整個產業的可持續發展。破解這些難題，應該發展兼具低成本、長壽命、高安全、易回收的新型電池技術。
鋰離子電池因其具有能量密度高、自放電率低、循環效率高等優點而成為新能源汽車動力電池選擇中的“香餑餑”。數據顯示，2018年上半年，全球新增投運電化學儲能項目裝機規模697.1兆瓦(MW)，同比增長133%，相比2017年底增長24%。從技術分布上看，鋰離子電池裝機規模最大，為690.2MW，占比為99%，同比增長142%。我國新增投運電化學儲能項目裝機規模100.4MW，同比增長127%，鋰離子電池的裝機規模最大，為94.1MW。
“用鋰離子電池來代替傳統的柴油發電機，在軍事演習、醫院搶救、通信、應急的動力牽引等方面有非常豐富的應用場景，有更加靈活便捷的應用。”中國科學院青島生物能源與過程研究所副研究員董衫木在近期召開的第二屆儲能電池技術發展方向研討會上描繪了電動汽車之外的“‘鋰’想應用藍圖”。中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會秘書長劉勇更是直言，隨著電動車快速發展，未來3~5年鋰離子電池發展潛力巨大。
“‘鋰’想”聽起來似乎特別豐滿，但是，隨著鋰電池產業化發展的深入，一些突出問題也日漸顯現，“現實”開始表現出“骨感”的一面。董衫木看好鋰電池應用前景的同時也表示了對其安全問題的擔憂。
中國科學院電工研究所儲能技術研究組博士劉昊表示，從便攜式電子設備到電動汽車再到大型儲能電站，市場對鋰離子電池性能的要求是從高能量密度逐步向低成本以及高安全發展的。
目前，市場上的大電池技術還是由小電池技術發展而來，制造費用偏“貴”。因為沒有考慮到在線維護以及回收處理的問題，整個全產業鏈的成本都比較高昂，電池的使用壽命也受到限制，伴隨系統安全問題，造成整個產業發展的不可持續。
如何破解這些“骨感”的難題? “應該發展兼具低成本、長壽命、高安全、易回收的新型電池技術。”劉昊說。
讓電解質“剛柔并濟”
鋰電池最重要的安全隱患來自于電解液，目前選擇的液態有機電解液易燃易爆。董衫木表示，用固態電解質代替液態電解液，是業內公認的提升鋰電池安全性能最為有效的選擇。
“目前固態電池采用的固態電解質普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統的要求仍有不小的距離。此外，‘固固接觸界面’的失效行為以及背后的失效機理也亟待闡明。”董衫木認為，構建高性能固態電池需要從兩個方面入手：構建高性能的固態電解質、提高界面的兼容性和穩定性。
董衫木介紹了一種“剛柔并濟”的設計理念，其中“剛”指的是剛性的聚合物骨架以及剛性的無機顆粒，“柔”指的是柔性的聚合物離子傳輸材料。通過聚合物和聚合物之間、聚合物和無機顆粒之間的路易斯酸堿相互作用，可以為鋰離子傳輸創造新的通道，并大幅提升電解質的綜合性能。此外，他所在的團隊也開發了一系列與聚合物電解質相互匹配的鋰鹽，可以提升電解質的離子遷移數，從而改善固態電解質的離子傳輸性能。
目前，董衫木所在團隊設計的固態電池單體能量密度可達291.6瓦小時/千克，循環850次容量保持率超過85%，可以通過五次穿釘測試，不著火不爆炸，同時，電壓在短時間下降后還可以快速恢復。
“基于上述單體技術，我們與中科院深海所合作，成功在馬里亞納海溝進行了固態電池系統‘青能-1’全海深電源(耐受100兆帕)的應用示范，該技術打破國外全海深電源技術封鎖，使我國成為繼日本之后第二個掌握全海深鋰電源技術的國家。”董衫木自豪地說。
從基礎設計處突破
鋰漿料電池技術的概念由中國科學院電工研究所儲能技術研究組在2015年的一項專利中正式提出。鋰漿料電池是指電池的全部或部分電極是由漿料態的儲鋰活性物質、導電劑和電解液構成。鋰漿料電池具有超厚漿料電極和可維護再生兩大顯著技術特征。
“目前鋰離子電池采用的連接方式，其厚度一般是100~200微米，如果提升厚度會造成電極片嚴重皸裂、使用過程中電極材料脫落、電池容量下降，以及循環性能衰減。”劉昊表示。
鋰漿料本身具有一個動態的接觸導電網絡，不存在脫落風險，電極厚度可以達到毫米級，是普通鋰離子電池的10~50倍，因此鋰漿料電池可能更適合于提供大容量的儲能電率輸出。鋰漿料電池做了一些結構上的設計，結合漿料電極的特性，十分便于補液、換液以及換漿操作。
“電池使用一段時間性能下降后，可以對電池內部界面進行修復再生，重新提升電池活力，延長使用壽命。另外，當電池報廢后，漿料還非常便于回收，材料經過再生處理之后可以用于新電池的生產。”劉昊解釋道。
劉昊所在研究團隊對鋰漿料電池及其工藝的評價分為三個階段。第一個階段是“60分”階段，主要是證實鋰漿料電池性能可行性以及工藝可行性，目前，該階段已經完成;第二階段為“80分”階段，進一步提高電池能量密度，使它常態工作倍率達到0.2以上，瞬態倍率能夠到0.5，預計今年年底實現;2019~2020年達到“90分”階段，這一階段，產品性能趨于穩定并逐步提升，主要工作是提高生產技術，以及后期的在線維護、回收再生等。
做好原材料回收
“如果從鋰電池全生命周期來觀察，降低電池材料成本需要從原材料入手進行研發。”北京理工大學教授李麗表示，“原材料回收可以在一定程度上降低電池領域或者其他材料領域對于全國原礦的壓力。”
目前，電池回收技術主要包括預處理過程、活法和濕法等方面。近年來，很多企業和研究院對預處理環節越來越重視。李麗介紹道，拆解和破碎過程主要釋放電解液的揮發物。此外，前期的密度篩分會對后期各種金屬的浸出率產生直接的影響。
李麗表示，鋰電池活法回收技術中一項重要工作是分析磷酸鐵鋰的失效機制，“我們希望對每種材料，最好是采用不同的方式，就像病人看病一樣對癥下藥。磷酸鐵鋰結構非常穩定，鋰的位置在充過電以后會出現缺失，所以，經過元素分析可以看到在失效或上千次循環以后的磷酸鐵鋰材料功能”。
“磷酸鐵以及鐵的氧化物等材料導致磷酸鐵性能容量直接下降。基于這種失效機制，在后期材料的混合物中進行‘補鋰’，可以補碳酸鹽形式，或者氫氧化鋁形式，進行高溫煅燒，材料性能就會有一定的恢復。”李麗說。
此外，傳統濕法技術主要是用酸的混合液對材料金屬元素從固相到液相進行分離，多為正極材料，負極和電解液的回收在過去幾十年為人們所忽視。
“可能因為負極石墨很便宜，所以大家覺得不值得補充。”李麗表達了自己的看法，“目前來講，我們希望對不同的部件進行全方位再生和資源化。負極材料回收以后可以生成石墨烯材料，而在電池領域或其他領域，石墨烯高導電性的吸引力是非常大的。”
電解液的回收也有技術可行性。采用二氧化碳的連接萃取方式，使電解液重新進行匹配以后，其電導率可以達到目前商業化的要求。
不過，如何保證電池中有價金屬的高浸出效率、高經濟性和環境性?其實最初的材料設計非常關鍵。是不是可以從源頭進行一個最早的設計，使得材料在設計之初就是可降解的?
“希望在未來幾年有一些突破。” 李麗最后說。
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