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探寻车载充电电池现状:新一代技术诞生
来源:技术在线 日期:2010-5-20 作者:全球电池网 点击:

各厂商面向电动车辆等的车载锂离子充电电池的量产计划纷纷确立,但电动汽车要想普及,其性能还不够完善。原因是充电一次的行驶距离较短。例如,日产汽车的电动汽车“绿叶”配备24kWh的锂离子充电电池,充电一次的行驶距离为160km左右。这一距离只是目前的汽油车的1/3左右。

要想解决该问题,就需要开发容量更高、更安全的新一代电池。目前的车载锂离子充电电池的能量密度为100~150Wh/kg左右。如果能将其提高2倍、3倍,行驶距离就能相应延长。关于锂离子充电电池的高容量化,正如连载二中提到的那样,各电池厂商以2015~2020年前后为目标,提高正极材料的电压、和采用高容量硅类负极材料。另外,为了在之后的2030年前后实现可将容量提高至现有电池数倍以上的Li-S电池和Li空气电池等后锂离子充电电池,为此而进行的基础研究在全球日益活跃。

近来,美国IBM于2009年6月宣布将着手开发Li空气电池等后锂离子充电电池,美国的开发时机已经非常成熟。日本方面,丰田于2008年6月作为开发创新性电池的基础研究部门,新设了“电池研究部”,开始积极进行基础研究。

与目前的锂离子充电电池相比,Li空气电池能量密度的理论值可达15倍以上,Li-S电池也能达到10倍以上,均有望获得提高。Li空气电池的正极利用大气中的氧,单位质量及单位体积的能量密度可实现飞跃性提高,因此一直在作为终极电池进行研究。

而Li-S电池正极采用S、负极采用Li,有望实现超过1000Wh/kg的电池单元。不过,两款电池目前还均存在无数课题。Li空气电池的正极构造与燃料电池相同,因此需要形成利用催化剂与氧发生反应的构造。而且,作为充电电池使用的话,需要还原在空气极发生反应的锂氧化物等,迄今为止尚未达到实用水平。

另一方面,Li-S电池与空气电池相比正极构造虽然比较简单,但存在进行充放电时S会在电解液中溶解的问题,以及电子传导度较低等课题。另外,两款电池的负极均使用金属锂,因此在反复进行充放电的过程中,负极会产生枝状的锂析出物——树突(dendrite)。

在不断进行的研究中,固体电解质受到越来越多的关注。目前,离子传导度高达3~5×10-3S/cm的硫化物系固体电解质已经面世,虽然用于大型电池的可能性较低,但终于看到了希望。尤其是Li-S电池,由于同为硫化物系,因此匹配度非常高。通过制造正极材料S与固体电解质的复合体,有望提高特性。

Li空气电池利用固体电解质与利用电解液时相比,有望简化空气极的构造。这些电池目前仍处于基础研究阶段,能否实现实用化前景尚不明朗,但毋庸置疑的是,车载领域的需求正推动开发新一代电池。

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