2011年美国锂离子电池技术动态

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2011.10Vol.35No.10

据IHS 公司的蓄电池专题报告，由于价格逐渐趋低，以及来自电动和混合动力汽车市场的需求推动，锂离子将成为全球最主要的充电电池技术。预计2015年全球锂离子电池营业收入将从2010年的118亿美元增加到314亿美元，

2020年营业收入将增长到537亿美元。

本文主要介绍2011年美国锂离子电池技术方面的一些最新动态。

1新型锂电池将用于军用无人机

据美国《军用航宇电子》网站2011年4月报道，军用无人机装备的锂离子电池取得进一步发展，获得一份新的美国空军合同，将设计出含有矿物质、更持久、更便宜的电池。

锂离子电池由于可以不定期进行充电，被视为一种绿色技术。电池中的锂离子，当放电时从负极移动到正极，充电时相反。纯的锂电池不能进行充电，锂离子电池则不同，它的化学电子晶体插入的是锂混合物，电极材料是金属锂。锂离子电池在消费电子产品中越来越常见。但是，用于军事装备尤其是无人装备，这些电池需要强化，同时减慢能量的释放。

军用无人机有可能执行各种室内或室外任务，因此，需具备较高的机动性和便携性。大部分军用无人机可能的用途都需要较长的航时。目前高端锂离子电池还不能在军方要求尺寸内提供足够能量。因此，想为军用无人机提供执行既定任务所需能量，就需要在锂离子电池能量和比能量方面有重大提高。

军事专家指出，当在军事方面大量使用电池时，需要比家用电器更便宜的电池才行。

空军授予ADA 技术公司750000美元合同，为小型或微小型无人系统，研究开发新型微小材料动力系统。ADA 表示将制造出性价比高、易于生产的锂离子电池，满足军用无人机动力生成和储备需求。下一研究阶段他们将与西南Nano 技术公司联合攻关（西南Nano 技术公司是一家主要以无人机锂离子电池生产为主的企业）。

ADA 表示在第一阶段的研究中，在锂离子电池先进微型复合电极开发方面取得了重大进展，该电极拥有更大的能量和比能量，寿命周期和安全性也高于目前锂离子电池。下一个研究阶段将关注建立电极合成协议以及电极处理的有关等级。该项目最后将实现集成到军用UAS 中的锂离子电池全尺寸原型件的设计、生产和演示验证。

军用工业分析家认为锂离子电池是为中小型机械操作提供动力的一种主要稳定的来源。持续研究的成功意味着，锂离子电池有可能凭借比当前一些产品更低廉的价格和更强的功效赢得消费者。

2新的锂电技术或利于电动

汽车的发展

据报道，美国俄亥俄州Nanotek 仪器公司的研究人员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，开发出一种新型储能设备，不仅可以实现电能的高密度高强度高容量的储能，更可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟，极大地突破了目前电池储能技术的发展瓶颈。该研究目前已发表在近期出版的《纳米快报》上。而这也将意味着动力锂电池技术有了进一步的提升。这种突破或将极大的促进新能源汽车的发展，尤其是电动汽车的发展。

随着近几年来，电子工业等产业的迅猛发展，以及节能环保意识的强化，石化能源价格高涨等多方面的原因，在各国政府的推动下，新能源汽车（包括插电式混合动力汽车、纯电动汽车）蓬勃发展，由此极大地推动了动力电池技术的进步与发展。

然而多年以来，新能源汽车尤其是电动汽车，其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，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。而以目前锂电池技术水平，及其大规模的商业化生产的产品，尚难以满足电动汽车的大规模应用的需求。因此，

尽管此前各国政府通过多种手段，包括优厚的财税、金融扶持政策，始终难以大面积、大范围推广电动汽车在社会生活中的应用。

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，比铜高五倍；具有很强的散热能力；密度低，比铜低四倍，质量更轻；表面面积是碳纳米管两倍时，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。

而此次美国所研发的锂电池技术，称为石墨烯表面锂离子交换电池，这种新型锂电池既集中了锂电池和超级电容的优点，同时又兼具高比功率和高能量储存密度的特性。新电池的比功率为100kW/kg ，比商业锂离子电池高100倍，比超级电容高10倍。能量储存密度越大，存储的能量就越多。新型锂电池充电时间将不到1min ，充满电的电动汽车可以续航超数百公里。这无疑极大地突破了现有的动力电池充电时间过长、续航能力短等应用瓶颈，而这也无疑将会推动电动汽车的发展与普及。

随着研究的深入，以及生产技术的发展，这种新型的石墨烯表面锂离子交换电池在实现规模化量产之后，其成本更有望大幅度下降，使得应用这种新型锂电池的电动汽车的成本更易于为消费者所接受。

此次美国研究者在锂电池研发方面绕开磷酸锂铁技术等方面的技术难题，从更广阔的新材料应用与研发方向寻找突破，并获得了成功，这或许可以给国内的锂电池行业的发展带来更多的启示。

3新式锂电池可在60℃以上

高温运作

据悉，美国莱登能源公司研发的新

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本刊刘春娜

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式锂电池在比能量高于现有锂电池的基础上还可以在高温下安全工作，非常适合电动汽车使用，并可用于手提电脑。

据了解，莱登能源公司用石墨集电器和酰亚胺钠替换了传统电池电解液中使用的铝制集电器和六氟磷酸锂，不仅使电池寿命得到增加，而且在60℃以上的高温下都能很好地工作。

同时，新电池的比能量比电动汽车中使用的锂离子高50%。

此种电池可以使用空气冷却剂进行冷却，而不需要使用液体冷却剂，这将减少成本并让电池变得更轻。该公司也在研发电池管理电子设备和软件，以预防会让电池“折寿”的过度充电或充电不足问题。

莱登公司最近从加州政府获得了296万美元的资助，每月制造出10个汽车电池箱。该公司还希望新技术最先用于手提电脑，该新电池可以充放电1000次，远远高于现在手提电脑电池的300次。

4新型聚合物凝胶可降低锂离子电池成本

位于美国加州Livermore 的Polystor Energy 公司取得了利兹大学的技术许可，将利用其开发出的新型聚合物凝胶，来生产出性能不变但成本更低廉的锂离子电池。公司现正尝试利用该技术进行便携式消费电子产品所用电池的商用化生产。

专家认为，这种新材料能够取代目前可充电锂离子电池所用的液体电解质。不仅如此，通过采用一种快捷、有效且具潜在成本效益的全自动化加工工艺，可将聚合物凝胶制成纤薄的柔性薄膜。

可充电锂离子电池是各种便携式消费电子产品的首选电源装置，包括笔记本电脑、

数码相机、手机和MP3播放器。传统的锂离子电池配置采用电池单元（密封容器），其中含有液体化学填充物，并带有一个多孔聚合物膜分离器。通过锂离子在电池的两个电极间传输电荷，分离器的作用是将两个电极隔开，避免造成短路。这种新型聚合物凝胶则不需要使用分离器。

专家说：“聚合物凝胶从外观上看像是一个固体膜，但实际上内含约70％的液体电解质。其生产原理和食用果冻的生产相似：先在聚合物／电解质混合物中加入大量热水，而不是明胶。随着溶液的冷却，即形成固态但有弹性的物质。”除具有安全和耐破损的优点外，由此制成的柔性电池单元还可随意造型，经过弯折几乎可适用于任何几何造型的装置。

5新型锂离子电池容量翻番

通用汽车已经开始采用使锂离子电池容量翻番的电池材料，目的是把它用于下一代雪佛兰伏特和其它电池驱动的汽车。它有已授权的电池电极材料，开发者是美国能源部的阿贡国家实验室。这些材料就是所谓的混合金属氧化物，可以提高汽车电池安全性和耐久性，并有助于加倍提高能量存储容量。由于可以让通用汽车公司使用较小的电池组，因此可能节约大量的费用。而对于电池驱动的车辆而言，成本是最大的问题。通用汽车的伏特是一款电动汽车，每次充电可行驶35英里，它还有一个汽油发电机，可供更长的行程，这款车费用超过类似尺寸的传统汽车的两倍多，很大一部分原因就是电池。提高电池存储能量就使汽车制造商可使用更小的电池组，从而降低成本。通用汽车公司投资公司负责人表示，目前还不清楚这项新技术能省多少钱，但是“可以肯定地说，会是很可观的，它不会是一位数的百分比。”

目前，该型号伏特汽车使用的锂离子电池，其制备采用的是锂锰尖晶石阴极，材料成分是锂、镍、锰、钴。这种材料具有活性成分，通过这些成分，锂离子在电池充电或放电时就可以运动，这种材料也具有不活跃的成分，有助于稳定活性物质，延长电池寿命。新材料还具有高比能量，因为它的运行可以使用更高的电压，超过目前的电极材料，也可储存更多的锂离子。长久耐用对于电动汽车电池而言是必不可少的，这种电池根据设计可以持续使用10年。这些专利涵盖了一系列镍锰钴材料，包括一些新的变种，都是通用汽车公司和阿贡国家实验室正在开发的，也包括目前伏特电池电极的一些成分。

阿贡实验室人员称，为了提高未来

电池的存储容量，通用汽车公司和阿贡国家实验室正在改进镍锰钴材料，是以几种方法改进的：首先，改变三种金属的相对比例，以创造一种可以储存更多锂离子的材料；其次，“激活”一些非活跃的成分，释放锂，使它脱离非活跃材料，以便可以在阴极和阳极之间移动。一旦锂离子获得自由，它们的运动就只是进出活性物质，而非活跃物质就继续发挥稳定作用。当然，

还要做许多工作之后，这些材料才可用于汽车。“这件事情只是在反应容器中制备粉末，就在这里的阿贡实验室进行”

，研究人员说，“非常不同的事情是要制备电池组：有很多创新都是工程方面的，就是为了把这些材料转化为电池”

。加倍提高阴极比能量，不会加倍提高能量总额，即电池组作为一个整体可存储的能量总额。阳极存储容量必须保持同步，电解质必须改进，以便可以在更高的电压下工作。

此外，所有这三个主要的电池组件都必须设计为可以很好地协同工作，这是为了减少不必要的化学反应。一旦工程师成功地把电极和电解质集成到正常运行的电池中，就需要更多的工程，来把这些电池纳入电池组。

关于新材料的稳定性，研究人员提出了一种方法，可以在电池组层面提高比能量。

目前，伏特电池组的设计具有额外的能量存储容量，以确保汽车性能不会受太大影响，因为电池会老化。如果未来电池可持续使用，不需要额外的容量，那就会降低电池组成本。“这可能是最高性能的阴极材料，而且，我们认为，真正关键的是我们现在就要开始研究这种材料，这样我们就能使它上路”，研究人员说，“这将需花数年时间来进一步开发，并进行验证”。

其他几家公司正合作研究美国阿贡实验室的技术，其中之一是Envia 公司，它正与美国阿贡实验室合作研究先进的镍锰钴电极材料与先进的硅阳极材料。这一项目资金来自美国能源部高级研究计划局能源处，计划生产的电池将能存储三倍于今天的汽车用锂离子电池的能量。CJPS