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2024年汽车电池技术会有哪些新的发展
日期：2024-09-20 浏览：
具有比容量高（1675 mAh g-1）、资源丰富、价格低廉和生态友好等优点。在液体电解质的应用过程中，有机电解质的易燃性以及多硫化物的溶解/穿梭严重损害了锂硫电池的安全性和循环寿命。用固体电解质代替液体电解质是一种很好的解决方案，而固态电解质（SSE）较高的机械强度对锂枝晶的生长有抑制作用。
现在几乎每周我都会读到至少一篇关于电池化学最新突破的报道，并且无一例外，科研人员都声称将彻底改变新能源市场。驱动力主要是为了摆脱化石能源的制约，更重要的是航空业目前也在拼命寻找，更轻、能量储备更高的电池去给到飞行器。那么根据这种需求，目前科学家们将目光放在了锂硫固态电池这个领域。
其实锂硫电池出现的非常早，后来没有大规模应用是因为早期的锂硫电池两个电极都不稳定，硫阴极上的离子扩散能力也非常差，微观情况下当带正电荷的锂离子被电极吸收时，能量被储存，但阴极的电极是由含硫材料的颗粒构成，吸收锂离子之后形成含锂硫化合物，我们称之为多硫化物，随着电池放电，多硫化物会被逐渐除硫。（该观点来自论文：A Li2S-based all-solid-state battery with high energy and superior safety建议大家阅读）
最终阴极的结果就非常搞笑，拆解之后会发现一种呈现糊状的覆盖物，这种糊糊会比之前讲的什么锂枝晶危害严重的多，科学家称之为多硫化物穿梭的现象。更糟糕的是，当电池被充电时，这种糊状物会膨胀到原来大小的两倍以上，然后再次缩小，形成放电。电池用的越久这种现象越明显，并且阴极导电率越低，还会带来更强的膨胀与收缩，最终会导致电池包的扭曲和开裂。（该观点来自论文：A high-energy sulfur cathode in carbonate electrolyte by eliminating polysulfides via solid-phase lithium-sulfur transformation建议大家阅读）
因此，大多数锂电池循环寿命在500到1500次充电循环之间，但锂硫电池循环只有50次左右，听起来很搞笑吧？但最近一项研究显示，貌似解决了硫阴极电导率低的挑战，将多硫化物和介质引入阴极成分，这在一定程度上解决了多硫化物穿梭问题。但高容量和长循环寿命仍然无法实现。
（该观点来自论文：Approaches to Combat the Polysulfide Shuttle Phenomenon in Li–S Battery Technology，建议大家阅读，文章阐释：高阶多硫化锂中间体Li2Sx(6 x ≤ 8) 在标准醚基电解质中高度溶解。因此，它们可以轻松地在阴极和阳极之间穿梭。这种现象被广泛称为前面提到的“多硫化物穿梭效应”，它是容量衰减的主要原因）
澳大利亚之前有一个团队通过创建弹性的碳和硫化合物基质，能更好的应对膨胀和收缩的变形现象，可以说成功将循环次数增加了四倍，但也只是从50次增加到大概200次左右，与现有的锂电池相比，简直是弱爆了。 直到去年年初，有科学家在锂硫电池中加入了糖，准确来说是利用了葡萄糖与硫锂化物的相互作用，由于锂原子与葡萄糖分子中的氧原子结合，并且根据多数文献显示，锂硫化物可以产生不同的结合能。（如文献：A saccharide-based binder for efficient polysulfide regulations in Li-S batteries阐释的加入葡萄糖后，电池呈现良好的高能状态，建议大家阅读）
在弹性阴极基质中加入基于葡萄糖的添加剂可以稳定硫元素的同时防止其分散之后在锂电极上面的无序涂覆，改善了阴极的糊状结构，打开了锂离子通道，让锂离子有更多的机会与硫相互作用。这种改进的结果是电池的耐久循环增加到了1000次左右，更接近现有的锂离子技术。最关键的是，在这个基础上，锂硫电池的能量密度目前可以提升到每公斤500瓦时，这是个巨大的进步，目前主流的三元锂电池最多也就是不到300。
之前我还注意到总部位于加利福尼亚硅谷的一家名为Lyten的材料公司也推出了EV锂硫电池平台。目前这家公司的项目仅用在美国国防领域，并且有消息称他们公司提供的锂硫固态电池装甲运兵车已经在进行相关测试，并且500瓦时每公斤的能量密度足以在飞行器上进行普及。这家公司目前使用一种基于石墨烯的锂硫结构，行业中称为升硫笼，他的功能和前面我们讲的葡糖糖结构类似，都是打开锂离子通道并降低电池形变用的。具体细节因为保密原则不方便提供给大家，但根据他们的宣传简介，Lyten3D石墨烯是一种新型的三维石墨烯材料平台，可以在分子水平上进行工程设计和调整，并随时满足特定的应用要求。
Lyten小道消息称他们的电池有潜力达到每公斤不低于900瓦时的能量密度，并且之所以没有官宣是因为遭到了目前锂离子液态电池降价的影响，感觉不是好的公布时机，但这个900瓦时每公斤的参数大家记住，2024-2025年搞不好突然就发布然后给全世界一个一鸣惊人的营销。 到了今年年底，咱们讲了这么多期电池技术，其实我想告诉大家的是，我们应该尝试以开放的心态看待技术进步，不要因为困难和目前的瓶颈就看低电池产业的发展。