第6章 电池领域的创新信息(5)

（2）研制出成本大幅降低的车用锂“半固体”流体电池。2011年8月，英国《新科学家》杂志网站报道，美国麻省理工学院材料科学和工程学教授蒋业明领导的一个研究小组，研制出一种新型锂“半固体”流体电池，其成本仅为现有电动汽车所用电池的1/3，但却能让电动汽车一次充电的行驶里程加倍。

现在，电动汽车的发展受制于电池笨重、昂贵且浪费空间。例如，日产公司聆风电动汽车，电池2/3的体积内，充斥着提供结构支持但不产生电力的材料，非常耗电。另外，传统的电池组包含几百个电池，每个电池都包含众多固体电极。这些电极上有金属箔集电器，采用塑料薄膜分隔。要增加储能，就要增加电极材料，因此，就需要更多金属箔和塑料薄膜，使得电池非常笨重。

该研究小组研制出一款名为“剑桥原油”的半固态液流电池，其不仅减少了电池内的“无效材料”，而且提高了电池的能效。

在普通电池内，离子通过液体或粉末电解液，在两个固体电极之间来回穿梭，迫使电子在连接电极的外部电线上流动来产生电流。而在新电池内，电极为细小的锂化合物粒子与液体电解液混合形成的泥浆，电池使用两束泥浆流，一束带正电，一束带负电。两束泥浆都通过铝集电器和铜集电器，两个集电器之间有一个能透水的膜。当两束泥浆通过膜时，会交换锂离子，导致电流在外部流动。为了重新给电池充电，只需要施加电压让离子后退穿过膜即可。

蒋业明表示，他们研制出的锂“半固体”流体电池，每单位体积传递的电力是传统电池的10倍。新电池每制造出1千瓦时电力的成本为250美元，为现有电池成本的1/3。而且，充电一次，电动汽车可行驶300千米，是现有电池的2倍。

科学家们表示，这种电池有三种充电方式可供选择：抽出失效的泥浆并注入新鲜的泥浆；前往充电站，在此处用新鲜泥浆取代失效的泥浆；用电流给泥浆重新充电。采用前两种方法，只需几分钟就能给电池充满电。

美国德雷克塞尔大学德雷克塞尔纳米研究所所长尤里·伽戈崔指出，这可能是过去几十年电池领域最令人兴奋的研发。

纽约城市大学能源研究所的丹·施丹戈特表示：“这件技术令人兴奋。不过，该研究小组研制出电池模型可能需要几年时间，建立配套的充电站则可能需要更长时间。”

2010年，蒋业明和其同事克雷格·卡特及斯鲁普·万尔德创办了一家公司，专门研制这种电池，现在，他们已经获得了1600万美元的资助，他们曾希望于2013年研制出电池模型。

（3）开发出可让汽车抛掉加热散热系统而降低成本的车用锂离子电池。2012年6月12日，物理学家组织网报道，美国马萨诸塞州一家电池制造商近日宣布，他们开发出一种新型汽车电池，它能在极端温度下工作，减少甚至取消对加热散热系统的需求，为降低电动汽车成本带来了更多机会。

该公司把这项新技术称为下一代纳米磷酸盐EXT锂离子电池技术，它提高了低温下的功率容量，延长了高温下的寿命。通过扩展核心技术容量，电池能适应更广泛的工作温度。

测试结果显示，在45℃条件下，电池还能保持超过90%的最初容量，在零下30℃时仍可提供启动电力。在低温条件下，纳米磷酸盐EXT电池提供的电量，比标准的纳米磷酸盐化学反应要高出20%～30%；在高温时，其寿命是普通锂离子电池的2～3倍，是铅酸电池的10倍。这种电池技术的问世意味着，即使在极端气温条件下，电池包也不需要散热或加热，这有望降低电动汽车设计的复杂性，提高性能和稳定性，减少整体成本，为用户节约大量资金。

参加测试的俄亥俄大学机械工程教授严·乔泽耐克指出，新技术“对交通工具（包括新兴的微型混合交通工具）的电气化而言，可能是一种改变游戏规则的电池技术突破”。

公司首席执行官大卫·维约说：“我们认为纳米磷酸盐EXT，克服了目前铅酸标准锂离子电池及其他先进电池的关键局限。新技术能降低甚至消除对热量管理系统的需要，大大增加锂离子电池系列在市场上的应用，为汽车及其他类型电池带来巨大商机，包括微型混合交通工具、电动车、通信装备、军用系统及其他领域。”

《环保汽车报告》分析师约翰·沃尔克说，新技术有助于降低“热量管理”方面的成本。大部分电动汽车都需要泵式散热系统，以清除电池包产生的多余热量，由此散热系统就消耗了能量，降低了行驶里程。他表示，如果这种新电池技术确实有效，将能减轻重量、减小复杂性，并降低未来插电交通工具的成本，让电动汽车在市场上更具竞争力。

3.开发充电速度快的车用锂离子电池

研制电动汽车一分钟充满电的表面介导锂离子电池。2011年9月，美国俄亥俄州耐诺蜕克仪器公司的研究人员，在《纳米快报》上发表研究成果称，他们利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种叫作“表面介导电池”的新型储能设备，可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。

众所周知，电动汽车因其清洁节能的特点而被视为汽车的未来发展方向，但电动汽车的发展面临的主要技术瓶颈就是电池技术。这主要表现在以下几个方面：一是电池的能量储存密度，指的是在一定的空间或质量物质中储存能量的大小，要解决的是电动车充一次电能跑多远的问题。二是电池的充电性能。人们希望电动车充电能像加油一样，在几分钟内就可以完成，但耗时问题始终是电池技术难以逾越的障碍。动辄数小时的充电时间，让许多对电动车感兴趣的人望而却步。因此，有人又将电动车电池的充电性能称为电动车发展的真正瓶颈。

目前，电池技术主要采用的是锂电池和超级电容技术，锂电池和超级电容各有长短。锂离子电池能量储存密度高，为120～150瓦/千克，超级电容的能量储存密度低，为5瓦/千克。但锂电池的功率密度低，为1千瓦/千克，而超级电容的功率密度为10千瓦/千克。目前大量的研究工作集中于提高锂离子电池的功率密度，或增加超级电容的能量储存密度这两个领域，但挑战十分巨大。

这项新研究成果通过采用石墨烯这种神奇的材料绕过了挑战。石墨烯因具有如下特点成为新储能设备的首选：它是目前已知导电性最高的材料，比铜高5倍；具有很强的散热能力；密度低，比铜低4倍，重量更轻；表面面积是碳纳米管2倍时，强度超过钢；超高的杨氏模量和最高的内在强度；比表面积（即单位质量物料所具有的总面积）高；不容易发生置换反应。

新储能设备又称为石墨烯表面锂离子交换电池，或简称为表面介导电池（SMCS），它集中了锂电池和超级电容的优点，同时兼具高功率密度和高能量储存密度的特性。虽然目前的储能设备尚未采用优化的材料和结构，但性能已经超过了锂离子电池和超级电容。新设备的功率密度（即电池能输出最大的功率除以整个燃料电池系统的质量或体积）为100千瓦/千克，比商业锂离子电池高100倍，比超级电容高10倍。功率密度高，能量转移率就高，充电时间就会缩短。此外，新电池的能量储存密度为160瓦/千克，与商业锂离子电池相当，比传统超级电容高30倍。能量储存密度越大，存储的能量就越多。

这种新电池的关键是其阴极和阳极有非常大的石墨烯表面。在制造电池时，研究人员将锂金属置于阳极。首次放电时，锂金属发生离子化，通过电解液向阴极迁移。离子通过石墨烯表面的小孔到达阴极。在充电过程中，由于石墨烯电极表面积很大，大量的锂离子可以迅速从阴极向阳极迁移，形成高功率密度和高能量密度。研究人员解释说，锂离子在多孔电极表面的交换可以消除嵌插过程所需的时间。在研究中，研究人员准备了氧化石墨烯、单层石墨烯和多层石墨烯等各种不同类型的石墨烯材料，以便优化设备的材料配置。下一步将重点研究电池的循环寿命。目前的研究表明，充电1000次后，可以保留95%容量；充电2000次后，尚未发现形成晶体结构。研究人员还计划探讨锂不同的存储机制对设备性能的影响。

研究表明，在电动车的驾驶距离相同和货物重量相同的情况下，表面介导电池的充电时间不到一分钟，而锂离子电池则需要数小时。研究人员相信，表面介导电池经过优化后，其性能还会更好。

如果今后电动汽车广为流行，充电站设置在加油站，其结果将会出现一幅十分有趣的情景，那就是电动车的充电时间将比加油还要快，而且比加油还便宜。研究人员表示，除了电动汽车外，这种表面介导电池还可用于再生能源储存（如储存太阳能和风能）和智能电网。

4.研制安全性能高的车用锂离子电池

（1）开发具有统一安全标准和充电方式的汽车锂离子电池。2008年10月，日本经济新闻报道，日本丰田、日产汽车公司及松下电器产业公司等相关企业，将合力开发统一规格的新一代汽车锂电池，并计划在2010年前后实现量产。日本企业还力争在安全标准和充电方式等方面，获得国际标准化机构的认证，以期在该领域抢夺先机。

新一代锂离子电池是影响混合动力车和电动汽车性能的关键所在。与现在混合动力车使用的镍氢电池相比，在体积相当的情况下，新一代锂电池重量将减轻一半，蓄电容量则增加一倍以上，一次充电后行驶里程将大大提高。

日本企业目前在生产大容量锂电池方面，还处于各自为战的状态。三菱汽车公司和富士重工业公司各自搭载锂电池的电动汽车，将于2009年夏季之后上市销售；本田汽车公司搭载燃料电池的汽车，预计在年内开始租赁出售；丰田和日产汽车则计划在2010年前后，分别推出搭载锂电池的可充电混合动力车和电动汽车。在日本国外，三洋电机和德国大众公司，也计划共同开发锂电池。而在锂电池安全性能测试等方面，各方均执行各自的安全标准。

各行其是造成新一代锂电池开发成本高，充电设施无法统一，且难以得到消费者的信任，在国际上也缺乏竞争力的根本原因。日本厂商意识到，尽快统一锂电池规格及安全标准迫在眉睫。

据悉，具体试验方法和安全标准方面，主要包括以下内容，一是不能发生电池发热和起火问题，二是确保电池在汽车碰撞和浸水等状态下的安全，三是电池和汽车的性能均能得到充分发挥等。

在日本国内，经济产业省外围团体的信誉度较高，因此新的锂电池安全标准和规格有望得到消费者的信任。日本国内企业，将积极开发生产锂电池和新一代混合动力车及电动汽车，提高在全球的竞争力。环保性能好的汽车产品也将得到进一步普及。

据日本汽车研究所预计，按现在混合动力车的普及程度推算，到2020年日本国内的混合动力车将达到约360万辆。如果高性能锂电池得到更多推广，使用量有可能进一步达到720万辆的水平。此间媒体评论说，如果日本能在新一代汽车锂电池的国际标准化认证方面，获得先机掌握主导权，相关企业必将获得巨大利益。

（2）通过模块化设计开发更安全环保的车用锂离子电池。2015年8月27日，欧盟委员会发布新闻公报说，受欧盟资助的“青狮”项目研究人员在锂电池研究方面取得突破性进展，这将有助于生产出更安全、更环保，价格也更低的锂离子电池。

与镍氢电池等可充电电池相比，锂电池具有充电时间短、储能容量大等优势，因此一经上市，就吸引了电动汽车制造商的注意。但是，锂电池仍有一些缺陷需要改进，如容易短路、起火等。此外，其造价也相对昂贵。

“青狮”项目研究人员开发出更加环保的电池材料，并减少了化学物质的使用。其新成果包括：改进生产流程，使用水系料浆生产电极，以减少电极生产成本和环境污染；推出新的装配流程，如使用激光切割和高温预处理等技术，减少生产电池所需的时间和成本；开发出自动化模块和电池组装配线，在提高产出量的同时降低成本；减轻电池模块重量，使之便于组装也便于拆解回收。此外，模块化设计和新材料的使用，还可使回收商更安全地回收旧电池材料，从而减少垃圾。

目前，项目研究人员已扩大生产规模，在一些合作伙伴的试点生产线上测试这些创新工艺。项目合作伙伴大众、西雅特等汽车品牌还将评估最终组装好的锂电池模块，研究其是否符合电动汽车的技术要求。