眾所周知,鋰電池的電解質只是鋰離子的導體,不能儲能。鋰電池的電解質也不會是“金屬混合物”,因金屬不可傳導離子。液態(tài)的電解質改變?yōu)楣虘B(tài)電解

眾所周知,鋰電池的電解質只是鋰離子的導體,不能儲能。鋰電池的電解質也不會是“金屬混合物”,因金屬不可傳導離子。液態(tài)的電解質改變?yōu)楣虘B(tài)電解質,如使用的電解質總量不變,也不可能提高電池的能量密度。僅僅是減少絕緣層和其他安全措施而降低的非儲能材料的重量是有限的,因而由此提高的能量密度也不會多。

Sakti3已經吸引到了來自知名企業(yè)的投資,比如通用汽車。QuantumScape也是一家固態(tài)電池技術公司,但他們的技術據傳和Sakti3較為類似。其實,采用高能存儲材料才是Sakti3電池的關鍵:有報導“Sakti3棄用了傳統(tǒng)鋰電池中的可燃液體電解質,通過其高能存儲材料實現技術進步”,使“Sakti3研發(fā)的電池能量密度達到每升1000瓦時,這是目前普通鋰電池的兩倍”。

從照片中可以看到,Sakti3超薄電池單體是長×寬約200×100mm2的矩形薄片,厚度約1mm,電池兩表面已制備有有金屬光澤的電極,估計為鋁箔。

Sakti3使用的“高能存儲材料”是什么材料,固體電解質是什么材料眾所周知,目前已知的可用于電池的“高能存儲材料”只有鋰硫化合物和鋰硅化合物兩類。當電極箔表面分別制備鋰硫化合物膜和鋰硅化合物膜作正極和負極,采用能夠供鋰離子遷移的膜作電解質,即可成為單體電池。

目前國內外研究的鋰硫化合物和鋰硅化合物電池,都是按現有的電池結構制造,受制于活性層充放電膨脹脫落和負離子的流失,電池壽命短。國內外的研究者采取的解決方案,都不外乎是將存儲材料外包覆保護殼后制活性層,或是將活性層制備成多層三明治型。

作者在一發(fā)明中指出:作電解質供鋰離子遷移的膜,可采用導電聚合物陽離子膜。導電聚合物陽離子膜包覆于鋰硫化合物或鋰硅化合物膜表面,可成為防止負離子流失的保護膜,可解決電池的壽命問題。Sakti3單體電池的固態(tài)結構,有利于解決活性層充放電膨脹脫落的問題。將多個Sakti3單體電池并聯即可制備得高電壓的動力電池。

Sakti3的優(yōu)點在于:可采用現有的涂布設備制備單體電池,也可采用3D打印制備單體電池。Sakti3的不足在于:電池電極的面積小,鑒于鋰硫化合物和鋰硅化合物的電子導電性和離子遷移性差,于電極膜表面制備的儲能膜不能太厚,致儲能膜的實際體積小、活性材料的量少。若電極和電解質膜的質量在電池中占比過大,將影響電池的儲能密度。成功的關鍵在于采用重量極輕的電極箔和電解質膜,但更重要的還是如何增加儲能膜的厚度,看來Sakti3已成功地解決了此問題。我也對找到了解決這個問題的好辦法。

大眾汽車“目前焦點主要聚集在將現有鋰離子電池升級版方案,以及固態(tài)電池技術兩個方向”,雖然沒有提及具體的技術內容,估計大眾的固態(tài)電池應與Sakti3類似。

但是,還有一種固態(tài)電容器也可用于電動汽車作高密儲能器?!度N改變世界的電池技術》一文中提到:“目前,美國能源部能源高級研究計劃局就正在測試兩個不同的固態(tài)電池項目,其一是鋰離子固態(tài)電池,另一個則完全不使用鋰?!边@一“完全不使用鋰”的“固態(tài)電池”作者估計就是固態(tài)電容器,因為非鋰材料的儲能密度小,難以成為電池的“高能存儲材料”。

眾所周知電容器比電池在安全性、使用壽命、充電速度和管理等方面更有優(yōu)勢。通用汽車矚目的“固態(tài)電池”,其實是一種高儲能密度的固態(tài)電容器。2008年通用汽車曾入股EEStor公司取得9.8%的股權。而EEStor研究的就是高儲能密度的固態(tài)電容器。國內有儲能權威和專業(yè)網站將EEStor電容器歸于“超級電容器”類,其實EEStor電容器采用高介電常數材料儲能,為標準的法拉第電容器,可按法拉第電容器原理設計。所謂“超級電容器”靠正負電極對壘儲能,為非法拉第電容器。

EEStor電容器能夠成為高儲能密度的電容器,是因其介電質膜的介電常數達19818,膜的電場強度達350V/μm,膜的厚度可保證電容器的工作電壓達3500V。按法拉第電容器原理即可計算出其儲能密度,EEStor號稱達280Wh/kg。中科院也對此類電容器進行了研究,所制備的介電質膜的介電常數比EEStor更高。但是至2009年后已無EEStor的新報道,有傳是奧巴馬下令將此技術列入了美國國家機密。

單體EEStor電容器的外形與Sakti3電池相類似,結構為兩電極間夾一薄層介電質層。因單體電容器的工作面積小,需將多個單體電容器并聯才能得到大儲能量,致制備復雜;另外,EEStor電容器設計于3500V電壓工作,用于電動汽車存在安全隱患。EEStor介電質膜的材料為560nm粒度的高介陶瓷粒,用4%聚脂粘結成膜,高介陶瓷粒是氧化鋁包覆的鈦酸鋇,對材料的純度要求達5個9,制備復雜。

本人研究了一種新型高介電常數材料,可制備介電常數高達105的膜。材料制備簡便、成本低,已申請發(fā)明專利。作者的一個專利還解決了制備大比表面積電容器的難題。因膜的介電常數遠高于EEStor介電膜,當采用作者研究的電極制備儲能密度高達400Wh/kg的電容器時,電容器工作電壓可小于100V,使電容器更適合于作電動汽車的動力儲能器。

總結

采用何種技術可大幅提升電池能量密度即通常所問的“超級電池”在哪里作者認為,液流電池可用于新能源發(fā)電和電網,但不宜用于電動汽車。能用于電動汽車的“革命性突破”的“超級儲能器”,只有采用“高能儲存材料”大電流工作儲能器,或可高電壓工作的儲能器。高能儲存材料鋰硫化合物和鋰硅化合物制備的固態(tài)電池,可稱為“超級電池”,而高能儲存材料中的高介電常數材料制備的高儲能密度固態(tài)電容器,因已有正負電極對壘的非法拉第電容器在先稱為“超級電容器”,我們只好將其稱為“高密薄膜電容器”,以資與傳統(tǒng)低密度儲能的薄膜電容器相區(qū)別;而高工作電壓的高儲密度能的“超級電容器”,則稱為“高密超級電容器”,以資與儲能密度小的“超級電容器”相區(qū)別。

[責任編輯:趙卓然]

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