2015年上半年儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)

2015年以來，各類儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)不斷取得突破。總結(jié)2015年以來儲(chǔ)能技術(shù)的研究開發(fā)動(dòng)態(tài)，鋰離子電池仍然是發(fā)展最活躍的一類儲(chǔ)能技術(shù)。

鋰離子電池的研發(fā)主要分為兩個(gè)方向，一個(gè)方向是基于常規(guī)的正負(fù)極材料體系，通過設(shè)計(jì)和制備新材料、研發(fā)新的合成制備工藝、控制和優(yōu)化材料的形貌和結(jié)構(gòu)等手段，提升材料的循環(huán)壽命、優(yōu)化電池體系的電化學(xué)性能;另一個(gè)方向是從鋰離子電池體系出發(fā)，探索與之相類似的鋁離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等新型電池體系。

中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟對儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展一直保持長期關(guān)注和跟蹤，本文將選取2015年上半年具有代表性意義的儲(chǔ)能技術(shù)研究成果進(jìn)行簡要介紹。

將太陽能電池與二次電池相結(jié)合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存

Ohio大學(xué)科學(xué)家在鋰碘液流電池的基礎(chǔ)上整合了染料敏化太陽能電池的TiO2光電極從而開發(fā)了鋰碘太陽能液流電池(Li-I SFB)的概念，可以實(shí)現(xiàn)對太陽能同時(shí)轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存。

Li-I SFB體系是一個(gè)三電極結(jié)構(gòu)，金屬鋰是負(fù)極，Pt是對電極，染料敏化TiO2是光電極;其中Pt對電極和染料敏化TiO2光電極同時(shí)儲(chǔ)存在正極室，與金屬鋰負(fù)極相對，含碘溶液作為電解液。在光支持的充電過程，I-被光電化學(xué)氧化為I3-，從而捕獲并且儲(chǔ)存了太陽能。由于有光電壓的支撐，該體系的充電電壓可以降低到2.9V，低于3.3.V的放電電壓。充電電壓的降低也意味著與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，可以節(jié)省20%的能量。這一概念也可以推廣應(yīng)用于其他金屬液流電池體系。

此前該課題組還曾利用相似的概念開發(fā)出新型太陽能鋰空氣電池。該電池將染料敏化光電極與鋰空氣電池的氧電極組合在一起，實(shí)現(xiàn)對鋰空氣電池的光支持充電(photo-assisted ging)，大幅降低了充電過程中由于Li2O2分解困難而造成的過電勢，提高循環(huán)效率、避免氧電極性能衰減。

新型高容量負(fù)極材料不斷涌現(xiàn)，提升鋰離子電池的能量密度和功率性能

清華大學(xué)與MIT的研究人員聯(lián)合開發(fā)了一種高容量、長壽命、大倍率的鋰離子電池負(fù)極材料。這種材料由納米鋁和TiO2組成核殼結(jié)構(gòu)，可以在10C倍率下循環(huán)500次，并且放電容量超過650mAh/g，對于提升鋰離子電池的功率性能和能量密度具有重要意義。鋁作為鋰離子電池負(fù)極雖然具有較高的理論容量，但是在循環(huán)過程中會(huì)出現(xiàn)體積膨脹、結(jié)構(gòu)坍塌等問題，因此循環(huán)壽命短，無法實(shí)際應(yīng)用。該項(xiàng)研究成果可以極大地推動(dòng)鋁在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用。

硅負(fù)極材料一直是鋰離子電池負(fù)極材料研究的重點(diǎn)體系，近年來硅負(fù)極材料的性能不斷得到突破，以硅為負(fù)極材料的鋰離子電池已經(jīng)開始準(zhǔn)商業(yè)化應(yīng)用。ASA 的Game Changing Development (GCD) 項(xiàng)目進(jìn)入第二階段，目的是為未來美國外太空探索開發(fā)先進(jìn)、大容量、長壽命的電池系統(tǒng)。在選定的兩項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)中，其中一項(xiàng)就是加州Amprius公司基于硅負(fù)極材料的高比能量鋰離子電池系統(tǒng)。

2015年三星先進(jìn)技術(shù)研究院借助石墨烯開發(fā)了一種高容量的復(fù)合硅負(fù)極材料，有效解決了硅負(fù)極材料的體積膨脹問題，大幅提升鋰離子電池的體積容量。與LiCoO2組成電池，該體系在第一周和第200周的體積能量密度分別為972和700Wh/L，比目前商業(yè)鈷酸鋰電池產(chǎn)品提升1.8和1.5倍。

開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)體系，提升電池的安全性能

與LiPF6等傳統(tǒng)液態(tài)電解液體系不同，固態(tài)電解質(zhì)具有優(yōu)秀的安全性能，可以大大降低電池體系的熱膨脹、避免電解液恢復(fù)泄露問題以及枝晶生長造成的短路問題。

來自MIT、三星先進(jìn)技術(shù)研究院、加州大學(xué)圣迭戈分校、馬里蘭大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科研人員共同發(fā)表研究成果，開發(fā)了一種鋰、鍺、磷和硫元素組成的固體鋰離子電解質(zhì)并研究了有利于離子快速遷移的結(jié)構(gòu)和路徑，為開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)體系奠定了基礎(chǔ)。

2015年P(guān)ATHION公司獲得Los Alamos National Laboratories的專利授權(quán)，日前開發(fā)并推出兩種新型超離子固態(tài)電解質(zhì)材料，并得到ARPA-E項(xiàng)目的支持。第一種為LiRAP材料(Lithium-Rich Anti-Perovskite，富鋰的反尖晶石材料)，可以用于鋰離子電池和鋰硫電池。LiRAP固體電解質(zhì)材料除了對Li+具有良好的傳導(dǎo)性，還可以直接使用金屬鋰做負(fù)極并且實(shí)現(xiàn)高電壓和高電流，從而大大提升固態(tài)電解質(zhì)體系的能量和功率密度。第二種為LiGlass材料類，可以用于鈉離子電池，LiGlass在室溫至200度的范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)超快的鈉離子傳導(dǎo)，能量密度達(dá)到1000Wh/kg。

開發(fā)快速、可逆的鋁離子電池體系，實(shí)現(xiàn)鋁系電池的重大突破

斯坦福大學(xué)戴宏杰課題組在Nature上發(fā)表研究成果，開發(fā)出具有超快可逆充放電能力的鋁離子電池體系。該電池解決了傳統(tǒng)鋁離子電池開發(fā)過程中一直面臨的正極嵌入性差、放電電壓低、無放電電壓平臺(tái)、循環(huán)壽命短(不足100周)、容量衰減快(100周循環(huán)后容量僅26-85%)等問題。電池在2V左右出現(xiàn)放電電壓平臺(tái)，放電容量接近70mAhg-1，能量密度~40Whkg-1(接近鉛酸電池)，功率密度達(dá)到3000Wkg-1(接近超級(jí)電容器)。

該電池以鋁箔做負(fù)極，以AlCl4-作為導(dǎo)電離子，以離子液體AlCl3/[EMIm]Cl為電解液，分別對比了泡沫石墨和熱解石墨兩種正極材料體系。其中以泡沫石墨為正極的體系，可以實(shí)現(xiàn)5000mAg-1(75C)的快速充放電，7500個(gè)循環(huán)后容量保持率接近100%。