為突破現(xiàn)有鋰電技術(shù)瓶頸，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院唐永炳研究員及其團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出了一種具有普適性的新型高效、低成本鋁基鋰離子電池，有望打破現(xiàn)有鋰電產(chǎn)業(yè)格局。這項(xiàng)相關(guān)研究成果“A Novel and Generalized Lithium-Ion Battery ConfigurationUtilizing Al Foil as Both Anode and Current Collector for Enhanced Energy Density（一種新型普適的基于鋁箔負(fù)極/集流體的高能量密度鋰離子電池）”已經(jīng)在線發(fā)表于材料頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上（DOI: 10.1002/adma.201604219），并申請(qǐng)1項(xiàng)國(guó)際發(fā)明專利（PCT/CN2016/081346）。
眾所周知，新能源汽車和新能源產(chǎn)業(yè)是我國(guó)《“十三五”戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中的支柱性產(chǎn)業(yè)，它的飛速發(fā)展則要求作為動(dòng)力來源或能量?jī)?chǔ)存的儲(chǔ)能器件不斷提升綜合性能，有效降低制造成本。鋰離子電池，作為一種常用二次電池，具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、清潔能源等領(lǐng)域的主要能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備。先來看看傳統(tǒng)鋰離子電池。自1991年由索尼公司商業(yè)化以來，已有26年的發(fā)展歷程。它主要由正極活性材料、負(fù)極活性材料、電解液、隔膜、集流體等主要部分組成。工作原理是依靠鋰離子在正極與負(fù)極之間來回移動(dòng)（嵌入和脫嵌）來實(shí)現(xiàn)電池的充放電過程（“搖椅式電池”）。充電時(shí)，鋰離子從正極材料（金屬含鋰化合物，如鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰等）中脫出，經(jīng)過電解液嵌入負(fù)極材料（石墨、鈦酸鋰等材料），負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。然而，由于受到正負(fù)極材料理論比容量較低的限制，目前商用鋰離子電池存在能量密度較低、生產(chǎn)成本較高、資金投入大等問題，越來越難滿足電子智能終端產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域?qū)Ω吣芰棵芏取⒌统杀緝?chǔ)能器件的要求制約了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
這種新型鋁基鋰離子電池有效地解決了傳統(tǒng)鋰離子電池的缺點(diǎn)。它的構(gòu)造直接采用鋁箔同時(shí)作為電池負(fù)極和集流體，替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨負(fù)極和銅箔負(fù)極集流體；正極材料仍采用現(xiàn)有技術(shù)中的鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等；電解液為含有鋰鹽和添加劑的碳酸酯類溶劑。這樣的新型電池具有全新的工作機(jī)理：充電時(shí)，鋰離子從正極材料中脫嵌出來，運(yùn)動(dòng)到鋁箔負(fù)極表面，并與鋁形成鋁鋰合金；放電時(shí)，鋰離子從鋁鋰合金中脫出，又嵌入到正極材料中。由于金屬鋁具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，并且具有高的嵌鋰比容量（AlLi合金的理論比容量993mAh/g），以及適中的嵌鋰電壓平臺(tái)（~ 0.3 V），因此鋁作為負(fù)極具有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，在該新型電池體系中，鋁箔同時(shí)作為負(fù)極活性材料和負(fù)極集流體，不僅可以大幅降低電池自重和體積，顯著提高質(zhì)量和體積能量密度，而且大幅降低了物料成本，并縮短了制造流程，從而大幅降低了生產(chǎn)制造成本，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。
圖（a）基于石墨負(fù)極和鈷酸鋰正極的傳統(tǒng)鋰離子電池充放電機(jī)理示意圖；（b）基于鋁箔負(fù)極和鈷酸鋰正極的新型鋰離子電池充放電機(jī)理示意圖
初步的研究結(jié)果表明，基于鋁箔負(fù)極的新型電池體系具有較高的比容量，較好的循環(huán)穩(wěn)定性，以及較高的能量密度，并且采用不同的正極材料，均表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，顯示出良好的普適性：采用鈷酸鋰為正極、鋁箔為負(fù)極的全電池（LCO-Al）能量密度可達(dá)到263Wh/kg，充放電循環(huán)250次后電池容量保持在81%；以磷酸鐵鋰為正極、鋁箔為負(fù)極的全電池（LFP-Al）能量密度達(dá)到163Wh/kg，充放電循環(huán)500次后電池容量保持在84%；以鎳鈷錳酸鋰三元材料為正極、鋁箔為負(fù)極的全電池（NCM-Al）能量密度達(dá)到258Wh/kg，充放電循環(huán)250次后電池容量保持86%。
值得一提的是，前期研究所采用的正極材料并非最佳，如果后續(xù)優(yōu)選更好的正極材料，電池的電化學(xué)性能有望獲得進(jìn)一步提升。同時(shí)，隨著該電池技術(shù)的優(yōu)化，電池的循環(huán)穩(wěn)定性等也將再進(jìn)一步提高。
不僅如此，該新型鋰電技術(shù)可相應(yīng)的調(diào)整正極材料，從而使該技術(shù)運(yùn)用到所有傳統(tǒng)鋰離子電池能運(yùn)用的領(lǐng)域：在便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域，可以運(yùn)用到電腦、平板電腦、移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、隨身聽、電子辭典、影音播放之硬件設(shè)備或數(shù)字音頻播放器等產(chǎn)品；在電動(dòng)交通工具中，一些小型的諸如電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托、電動(dòng)助力車、電動(dòng)汽車等代步動(dòng)力型產(chǎn)品，以及一些大型的諸如電動(dòng)及混合動(dòng)力大巴、電動(dòng)轎車、小客車、商務(wù)車、面包車、吉普車、跑車等也都是它大顯身手的領(lǐng)域；甚至在大型動(dòng)力電源中，艦船動(dòng)力、航空航天動(dòng)力、裝甲動(dòng)力以及儲(chǔ)能電站等方面的運(yùn)用前景也十分廣闊；它同樣可以應(yīng)用于二次充電及儲(chǔ)能領(lǐng)域，如電動(dòng)玩具、無人機(jī)、風(fēng)能及太陽能儲(chǔ)能電源、電動(dòng)工具等產(chǎn)品。
這項(xiàng)研究成果在上述諸多領(lǐng)域都具有如此巨大和廣泛的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景，伴隨著該技術(shù)的完全成熟，它必將會(huì)改變現(xiàn)有鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的格局。
唐永炳：博士、研究員，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院功能薄膜材料研究中心主任。主要研究領(lǐng)域：基于非貴金屬負(fù)極的新型鋰離子電池及關(guān)鍵材料，基于非貴金屬負(fù)極、石墨正極的堿金屬離子二次電池等。主持和參與10多項(xiàng)國(guó)家自然基金、廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、香港科技創(chuàng)新署和中科院的相關(guān)科研項(xiàng)目。在材料領(lǐng)域著名國(guó)際期刊發(fā)表SCI論文近80篇，他引1900余次，申請(qǐng)和授權(quán)發(fā)明專利75項(xiàng)。獲獎(jiǎng)及榮譽(yù)： 中科院院長(zhǎng)獎(jiǎng), “劉永齡”獎(jiǎng), “師昌緒”獎(jiǎng),“葛庭燧”獎(jiǎng), 深圳市B類孔雀人才計(jì)劃等。
（編輯：小智）
