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其实,如果我们对比一下中国和韩国锂电产业的发展历程,相信读者朋友们就可以很清楚地认识到为什么说这上述这两个前提条件至关重要了。相关的话题,笔者在后面的章节里还要详细展开论述。
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1.6高能化学电源产业技术发展趋势
电池技术本身并非高深莫测,基本原理还是当年伏打电池也就是氧化还原反应。但是,原理简单并不等于性能可以很容易地提高,而电池系统是一个复杂的多变量系统。具体讨论高能化学电源产业的技术发展趋势和方向,涉及到多学科的综合,属于非常专业的高科技领域。这里,笔者将抛开深奥的电化学、固体化学以及电催化方面的科学原理,站在宏观的角度深入浅出地对高能化学电源产业的技术发展趋势进行讨论。
首先我们要思考一个基本问题,二次电池的根本发展方向是什么?
如果我们对比过去一百五十年里各种商品二次电池的能量密度,就会非常清楚地看到这种递增趋势,同时还有循环性能的指数增加趋势。这其中,能量密度的提升是根本性的指标。那么读者就应该能够明白,相对于当前镍氢电池遭遇的产业困境,为什么锂离子电池在过去二十年里应用市场不断扩大发展飞速发展的根本原因了。
道理很简单,因为目前所有商品化的二次电池体系中,锂离子电池不仅能量密度最高而且同时还具有超长循环寿命。至于其它技术指标比如倍率性、温度性能等等,则不是核心问题。
那么未来可能会有其它的新型化学电源体系取代现有的锂离子电池体系吗?
其实,二次电池实质上是以带电荷的离子(H+、Li+、Na+、Al3+、Zn2+等)作为电能储存载体,离子的荷质比(Q/M)在某种程度上就决定了该电池体系的理论能量密度。在这些离子当中,H+的荷质比最高(1.0),其次是Li+(0.144),Al3+(0.111),Mg2+(0.083),Na+(0.0455)。
因此从这个角度而言,化学电源的比能量是有限的,受到体系理论容量和工作电压的限制而不可能遵循莫尔定律。锂在已知的金属中具有最负的标准电极电势和仅次于氢的理论比容量,使得锂系电池在所有二次电池体系中理论能量密度最高。因此,非水体系高能二次电池必然是以锂系电池为主,其它电化学体系(钠离子、镁离子电池等)为辅。那么很多读者关心的问题,锂系二次电池将会朝什么方向发展?
从电化学的角度而言,现有的锂离子电池其实只能算是“半个”高能电池,因为它的高比能量主要是建立在负极极低的电极电势基础之上,目前使用的过渡金属氧化物正极材料不管是工作电压还是比容量都跟水系二次电池的正极材料相差不大。
因此,要想使锂离子电成为“真正”的高能电池,只有两条道路:提高电池工作电压或者提高正负极材料的比容量。因为负极工作电压已经没有降低的可能,那么高压就必须着眼于正极材料。5V镍锰尖晶石由于容量较低,实际上并不能有效提升电池的能量密度。
目前富锂锰基固溶体(OLO)的实际容量可以达到250mAh/g,已经很接近层状过渡金属氧化物正极的理论容量。Si/C复合负极材料以及硅基合金负极材料的比容量已经达到了600-800mAh/g,这个容量范围实际上是其实用化(抑制体积变化)的极限。