伯克利实验室推新电池技术 或提高电动车续航

    日前，美国伯克利国家实验室提出了一种能在现役的锂离子电池基础上增加两倍的能量密度，同时在一定程度上提升电池寿命的解决方案。

    伯克利实验室所提出的解决方案是，在锂离子电池中，用一种硫氧化石墨烯（S-GO）制成的纳米复合材料作为阴极反应物。使其放电效率高达6C（1C = 1.675 A/g硫元素），充电效率高达3C，同时还能确保较高的能量密度（6C时可达800 mA·h/g硫）。此外，电池的完整循环充放电次数能超过1500次，单次衰退率只有0.039%。这可能是目前为止，锂离子-硫电池所能实现的最好水平。

    1500次完整循环充放电如何理解？大家可以想一下，如果一台电动汽车每天都进行一次完整的从0至100%的充放电循环的话，那么1500次足够支持4年左右。也就说，这台电动汽车的电池在使用4年后就必须更换。而常用的锂电池中，钴酸锂的循环次数可达500次左右，而磷酸锂也只能达到1000次左右。也就是说，随着充放电次数的不断增加，锂离子电池的容量在不断“衰退”。这其实跟使用次数没有太大关系，造成衰退的主要原因是温度。

    所以，在日常使用电动汽车的时候，电池的电量并不会充满100%；多是保持在40%-60%这个水平上。一是避免完整的充放电缩减寿命，二是在各种温度下降低衰退率，三就是为电动汽车的能量制动回收留下空间。所以，像是Model S这类采用钴酸锂电池的车型，在设计之初就考虑到了电池组的拆卸情形。

    据悉，这种新型的锂离子-硫电池的单电池结构（Cell-level），能量密度可以达到500 W·h/kg，比当前的锂离子电池的密度（~200 W·h/kg）高出两倍多。即便在经过1500多次完整充放电后，其电量容量依然可以保持较高水平（740 mA·h/g硫）。如果要实现目前汽油车辆300英里（约480公里）的续航，那么单电池结构的能量密度就必须要到达350至400W·h/kg。所以这种新型Li/S电池的能量密度理论上完全可以满足这一需求。

    不过，伯克利实验室的新构想依然面临着巨大的挑战，那就是电池的寿命。尽管能实现1500次的完整循环充放电，但从实用性和经济性的角度讲，这还远远不够。原因是，在放电过程中，锂离子的多硫化物容易从阴极消融，与锂阳极发生化学反应生成Li2S，从而形成一个反应屏障。这就是为什么在经过几次充放电后，电池的容量开始减少。

    目前在电动汽车动力电池领域，锂离子电池已经取代了传统的镍氢电池成为市场新宠，它的能量密度高、输出功率大，并且冲、放电速度快。我们常见的，无论是钴酸锂电池还是磷酸铁锂电池，都是锂离子电池的一种。尽管如此，当前流行的锂离子电池仍然存在几大挑战，如稳定性较差、容量易衰退，以及能量密度依然不及汽油燃料。

    这些限制造成了电动汽车用车中所谓的“续航焦虑”（Range Anxiety）。对于电动汽车的普及来说，这并不是个小问题。尤其是没有汽油机作为备用动力的纯电动汽车。之前Elon Musk驾驶Model S横跨美国，也是为了进一步打消市场对Tesla电动汽车的续航能力质疑。目前，伯克利国家实验室正在寻求合作伙伴，来进一步解决Li/S电池的寿命问题。其中，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所也参与该技术的研究。<