新型水鋰電池問世 產業化道路漫長

    鋰電世界  只要花10秒鐘充60度電，就可以讓裝備了新型水溶液可充鋰電池（簡稱為“水鋰電池”）的電動汽車跑400公里？

    近日，最新一期《自然》（Nature）雜志子刊《科學報道》（Sci. Report）刊發了復旦大學教授吳宇平領導的課題組關于水溶液鋰電池體系的最新研究成果。

    據該課題組實驗測算，這一技術制造的新型鋰電池，能量效率高達95%，它的能量密度（即同樣大小、質量的情況下單位儲存電能），比目前普遍采用有機電解質的鋰離子電池高出80%。該課題組研究人員介紹，預計裝備這一新型水鋰電池的電動汽車，滿電狀態下行駛距離可達400公里，而充電時間僅10秒鐘左右；如應用于筆記本電腦、手機，待機時間可增加一倍以上。

    吳宇平則在接受記者采訪時表示，這一成果經《科學報道》刊發后，短短幾天，已有美國新能源汽車開發的相關機構發出合作請求，但復旦方作為擁有原創知識產權方，更希望尋求與國內企業合作，盡快將這一成果在國內運用，推動新能源汽車產業的加速發展。

    “高性能水鋰電池從公布的數據來看，能量密度能夠得到大的提升，循環性能也沒有惡化，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展的方向。”北京賽迪經智投資顧問有限公司高級咨詢師張謙在接受本報記者采訪時表示。

    “正如其發明者吳宇平教授所強調的，水鋰電池研發目前只是在原理上實現新突破，并在實驗室得到了驗證，但科學發明從實驗室到產業化的過程并非一蹴而就，有很多問題仍需要解決。”張謙向本報表示。

    “電位穿越”理論

    從1859年勒克郎謝發明鉛酸蓄電池，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（簡稱水鋰電）直到復合超級電容器，一百多年來這個領域的發展一直備受矚目。

    吳宇平課題組采用復合膜將金屬鋰進行包覆，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合膜發生“電位穿越”的理論。

    據介紹，鋰電池的主要工作原理是依靠鋰離子在正負電極之間的遷移而產生電流的。這種遷移是在溶液中進行的。但是由于低電位的鋰離子會和水溶液發生電化學反應（析出氫，生成氫氧化鋰），從而使電池自身發生損耗，不能發生可逆充電，因此水鋰電池研究要解決的核心問題就是如何防止鋰離子和水在低電位發生反應。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生的電壓最多達到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機材料制成復合膜，包裹在金屬鋰外。而這層復合膜成為了鋰離子的電位在正負極之間“時空穿越”的“隨意門”和“時光機”在這個膜的作用下，質子和水分子無法在低電位下得到電子，就不會在鋰離子遷移過程中發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過膜，一下就到了負極，然后又直接從負極回到正極，就好像科幻片中，人跨過時光門可以直接在地球和外太空之間往返。”因此，吳也把這一新發現稱作“電位穿越”。

    據課題組介紹，新型水鋰電，可以大幅降低電池的成本，提高其能量密度，從而使電池充電時間更短，儲存電量更多，耐用時間更久。該體系計算的實際能量密度大于220 Wh/Kg（瓦時/公斤），能量效率高達95%，預計裝備這一新型水鋰電的電動汽車的行駛距離有望達到400公里，而現在市面上售賣的電動車出行距離為150-180公里（如榮威E50在60公里等速時續航里程為180公里）。

    產業化之路還很漫長

    “目前鋰電池技術研發的方向主要是在保證電池的安全性、循環性等基本性能基礎上不斷地提升能量密度。”賽迪顧問的高級咨詢師張謙向本報表示，在傳統的3C領域，由于智能手機、平板電腦的普及，原有的電池體系能量密度不能滿足續航要求，主要通過改善電池設計和提高電池電壓來增加能量密度，但是現有材料體系增加電壓是存在極限的，只能提升13-20%左右。

    在新能源汽車領域，《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》中提出到2015年電池模塊的能量密度要達到150KW/kg以上，事實上我國目前的動力電池模塊的能量密度在100-120之間，進一步提升能量密度，解決新能源汽車尤其是純電動汽車的“里程焦慮”是動力型鋰電池技術發展的關鍵。

    “總的來看，鋰電池的攻堅難點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，在降低電池成本的同時，主要也就是提高了能量密度，以求解決目前純電動汽車電池成本居高不下、續航能力短、充電時間長等瓶頸。

    據了解，在該技術問世之后，國內也有眾多企業找到吳宇平以求合作，以求將該項技術盡早產業化，甚至還有工信部科技司、上海新能源汽車推進辦公室等也對這一技術表示關注的消息傳出。

    但在吳宇平看來，目前雖然實驗室制備的水鋰電池能量密度已比目前傳統技術電池高出80%，但距離產業化還很遠，需要十年甚至更長時間。