鋰離子電池要大規(guī)模應(yīng)用，制造費(fèi)用偏“貴”，因?yàn)橐紤]到在線維護(hù)以及回收處理的問題、電池的使用壽命問題、系統(tǒng)安全問題，以至整個(gè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。破解這些難題，應(yīng)該發(fā)展兼具低成本、長(zhǎng)壽命、高安全、易回收的新型電池技術(shù)。

鋰離子電池因其具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)效率高等優(yōu)點(diǎn)而成為新能源汽車動(dòng)力電池選擇中的“香餑餑”。數(shù)據(jù)顯示，2018年上半年，全球新增投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模697.1兆瓦(MW)，同比增長(zhǎng)133%，相比2017年底增長(zhǎng)24%。從技術(shù)分布上看，鋰離子電池裝機(jī)規(guī)模最大，為690.2MW，占比為99%，同比增長(zhǎng)142%。我國(guó)新增投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模100.4MW，同比增長(zhǎng)127%，鋰離子電池的裝機(jī)規(guī)模最大，為94.1MW。

“用鋰離子電池來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)，在特種演習(xí)、醫(yī)院搶救、通信、應(yīng)急的動(dòng)力牽引等方面有非常豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，有更加靈活便捷的應(yīng)用。”中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所副研究員董衫木在近期召開的第二屆儲(chǔ)能電池技術(shù)發(fā)展方向研討會(huì)上描繪了電動(dòng)汽車之外的“‘鋰’想應(yīng)用藍(lán)圖”。中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)秘書長(zhǎng)劉勇更是直言，隨著電動(dòng)車快速發(fā)展，未來3~5年鋰離子電池發(fā)展?jié)摿薮蟆?br/>
“‘鋰’想”聽起來似乎特別豐滿，但是，隨著鋰電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的深入，一些突出問題也日漸顯現(xiàn)，“現(xiàn)實(shí)”開始表現(xiàn)出“骨感”的一面。董衫木看好鋰電池應(yīng)用前景的同時(shí)也表示了對(duì)其安全問題的擔(dān)憂。

中國(guó)科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究組博士劉昊表示，從便攜式電子設(shè)備到電動(dòng)汽車再到大型儲(chǔ)能電站，市場(chǎng)對(duì)鋰離子電池性能的要求是從高能量密度逐步向低成本以及高安全發(fā)展的。

目前，市場(chǎng)上的大電池技術(shù)還是由小電池技術(shù)發(fā)展而來，制造費(fèi)用偏“貴”。因?yàn)闆]有考慮到在線維護(hù)以及回收處理的問題，整個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈的成本都比較高昂，電池的使用壽命也受到限制，伴隨系統(tǒng)安全問題，造成整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不可持續(xù)。

如何破解這些“骨感”的難題?“應(yīng)該發(fā)展兼具低成本、長(zhǎng)壽命、高安全、易回收的新型電池技術(shù)。”劉昊說。

讓電解質(zhì)“剛?cè)岵?jì)”

鋰電池最重要的安全隱患來自于電解液，目前選擇的液態(tài)有機(jī)電解液易燃易爆。董衫木表示，用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的提升鋰電池安全性能最為有效的選擇。

“目前固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質(zhì)普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)的要求仍有不小的距離。此外，‘固固接觸界面’的失效行為以及背后的失效機(jī)理也亟待闡明。”董衫木認(rèn)為，構(gòu)建高性能固態(tài)電池需要從兩個(gè)方面入手：構(gòu)建高性能的固態(tài)電解質(zhì)、提高界面的兼容性和穩(wěn)定性。

董衫木介紹了一種“剛?cè)岵?jì)”的設(shè)計(jì)理念，其中“剛”指的是剛性的聚合物骨架以及剛性的無機(jī)顆粒，“柔”指的是柔性的聚合物離子傳輸材料。通過聚合物和聚合物之間、聚合物和無機(jī)顆粒之間的路易斯酸堿相互作用，可以為鋰離子傳輸創(chuàng)造新的通道，并大幅提升電解質(zhì)的綜合性能。此外，他所在的團(tuán)隊(duì)也開發(fā)了一系列與聚合物電解質(zhì)相互匹配的鋰鹽，可以提升電解質(zhì)的離子遷移數(shù)，從而改善固態(tài)電解質(zhì)的離子傳輸性能。

目前，董衫木所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的固態(tài)電池單體能量密度可達(dá)291.6瓦小時(shí)/千克，循環(huán)850次容量保持率超過85%，可以通過五次穿釘測(cè)試，不著火不爆炸，同時(shí)，電壓在短時(shí)間下降后還可以快速恢復(fù)。

“基于上述單體技術(shù)，我們與中科院深海所合作，成功在馬里亞納海溝進(jìn)行了固態(tài)電池系統(tǒng)‘青能-1’全海深電源(耐受100兆帕)的應(yīng)用示范，該技術(shù)打破國(guó)外全海深電源技術(shù)封鎖，使我國(guó)成為繼日本之后第二個(gè)掌握全海深鋰電源技術(shù)的國(guó)家。”董衫木自豪地說。

從基礎(chǔ)設(shè)計(jì)處突破

鋰漿料電池技術(shù)的概念由中國(guó)科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究組在2015年的一項(xiàng)專利中正式提出。鋰漿料電池是指電池的全部或部分電極是由漿料態(tài)的儲(chǔ)鋰活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和電解液構(gòu)成。鋰漿料電池具有超厚漿料電極和可維護(hù)再生兩大顯著技術(shù)特征。

“目前鋰離子電池采用的連接方式，其厚度一般是100~200微米，如果提升厚度會(huì)造成電極片嚴(yán)重皸裂、使用過程中電極材料脫落、電池容量下降，以及循環(huán)性能衰減。”劉昊表示。

鋰漿料本身具有一個(gè)動(dòng)態(tài)的接觸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，不存在脫落風(fēng)險(xiǎn)，電極厚度可以達(dá)到毫米級(jí)，是普通鋰離子電池的10~50倍，因此鋰漿料電池可能更適合于提供大容量的儲(chǔ)能電率輸出。鋰漿料電池做了一些結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，結(jié)合漿料電極的特性，十分便于補(bǔ)液、換液以及換漿操作。

“電池使用一段時(shí)間性能下降后，可以對(duì)電池內(nèi)部界面進(jìn)行修復(fù)再生，重新提升電池活力，延長(zhǎng)使用壽命。另外，當(dāng)電池報(bào)廢后，漿料還非常便于回收，材料經(jīng)過再生處理之后可以用于新電池的生產(chǎn)。”劉昊解釋道。

劉昊所在研究團(tuán)隊(duì)對(duì)鋰漿料電池及其工藝的評(píng)價(jià)分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段是“60分”階段，主要是證實(shí)鋰漿料電池性能可行性以及工藝可行性，目前，該階段已經(jīng)完成;第二階段為“80分”階段，進(jìn)一步提高電池能量密度，使它常態(tài)工作倍率達(dá)到0.2以上，瞬態(tài)倍率能夠到0.5，預(yù)計(jì)今年年底實(shí)現(xiàn);2019~2020年達(dá)到“90分”階段，這一階段，產(chǎn)品性能趨于穩(wěn)定并逐步提升，主要工作是提高生產(chǎn)技術(shù)，以及后期的在線維護(hù)、回收再生等。

做好原材料回收

“如果從鋰電池全生命周期來觀察，降低電池材料成本需要從原材料入手進(jìn)行研發(fā)。”北京理工大學(xué)教授李麗表示，“原材料回收可以在一定程度上降低電池領(lǐng)域或者其他材料領(lǐng)域?qū)τ谌珖?guó)原礦的壓力。”

目前，電池回收技術(shù)主要包括預(yù)處理過程、活法和濕法等方面。近年來，很多企業(yè)和研究院對(duì)預(yù)處理環(huán)節(jié)越來越重視。李麗介紹道，拆解和破碎過程主要釋放電解液的揮發(fā)物。此外，前期的密度篩分會(huì)對(duì)后期各種金屬的浸出率產(chǎn)生直接的影響。

李麗表示，鋰電池活法回收技術(shù)中一項(xiàng)重要工作是分析磷酸鐵鋰的失效機(jī)制，“我們希望對(duì)每種材料，最好是采用不同的方式，就像病人看病一樣對(duì)癥下藥。磷酸鐵鋰結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，鋰的位置在充過電以后會(huì)出現(xiàn)缺失，所以，經(jīng)過元素分析可以看到在失效或上千次循環(huán)以后的磷酸鐵鋰材料功能”。

“磷酸鐵以及鐵的氧化物等材料導(dǎo)致磷酸鐵性能容量直接下降。基于這種失效機(jī)制，在后期材料的混合物中進(jìn)行‘補(bǔ)鋰’，可以補(bǔ)碳酸鹽形式，或者氫氧化鋁形式，進(jìn)行高溫煅燒，材料性能就會(huì)有一定的恢復(fù)。”李麗說。

此外，傳統(tǒng)濕法技術(shù)主要是用酸的混合液對(duì)材料金屬元素從固相到液相進(jìn)行分離，多為正極材料，負(fù)極和電解液的回收在過去幾十年為人們所忽視。

“可能因?yàn)樨?fù)極石墨很便宜，所以大家覺得不值得補(bǔ)充。”李麗表達(dá)了自己的看法，“目前來講，我們希望對(duì)不同的部件進(jìn)行全方位再生和資源化。負(fù)極材料回收以后可以生成石墨烯材料，而在電池領(lǐng)域或其他領(lǐng)域，石墨烯高導(dǎo)電性的吸引力是非常大的。”

電解液的回收也有技術(shù)可行性。采用二氧化碳的連接萃取方式，使電解液重新進(jìn)行匹配以后，其電導(dǎo)率可以達(dá)到目前商業(yè)化的要求。

不過，如何保證電池中有價(jià)金屬的高浸出效率、高經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境性?其實(shí)最初的材料設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。是不是可以從源頭進(jìn)行一個(gè)最早的設(shè)計(jì)，使得材料在設(shè)計(jì)之初就是可降解的?

“希望在未來幾年有一些突破。”李麗最后說。