随着新能源汽车的快速发展,动力电池作为其核心部件,直接关系到电动汽车的续航里程、充电速度以及成本。目前动力电池市场主要由锂离子电池占据,但它也面临着普遍的短板——能量密度有限。为了提高电池的续航里程,研究人员一直在探索更高能量密度的电池技术方案。

锂离子电池能量密度的瓶颈

现有的锂离子电池以石墨为负极材料,但石墨的理论容量只有372mAh/g,市面上最优秀的锂离子电池也只做到了360mAh/g左右,已经几乎摩擦上限。这意味着如果继续使用石墨负极,电池能量密度很难有大的提升空间。这已经成为电动汽车续航里程无法大幅提升的瓶颈所在。

为了突破这一瓶颈,一种思路是探索新型负极材料来取代石墨,使电池拥有更高的理论容量上限。目前最主要的两大取代方案是:硅负极和金属锂负极。

硅负极由于理论容量可达4200mAh/g,是石墨的10倍以上,因此备受关注。但硅在充放电过程中体积会发生巨大的膨胀收缩,最大可达300-400%,这会导致材料和电池内部结构损坏。目前通过对硅进行改性和优化,已经初步实现了硅负极技术在电动车上的应用,例如特斯拉4680电池采用了含硅复合物负极,但产能仍有限。此外,硅负极的安全性和长期稳定性也有待观察。

相比硅负极,采用金属锂作为负极材料更有可能实现质的提升。金属锂的质量密度是所有金属中最低的,且拥有3860mAh/g的高比容量,是目前商用电池的10倍以上。如果实现锂金属负极电池,可以使电池体积缩小一半、质量减轻一半的同时,续航里程提高1倍以上。这可以彻底解决电动车续航焦虑问题。

锂金属负极面临的挑战

但是,迄今为止,锂金属负极电池都无法实现广泛商业应用,主要面临两大挑战:

锂枝晶形成:在充放电循环过程中,锂金属表面极易生成锂枝晶,它们会逐渐增长、刺穿隔膜,引起电池短路。

“死锂”堆积:充电过程中,由于电流分布不均,锂枝晶的根部往往先发生断裂,残留的枝晶碎片变成电化学惰性的“死锂”,它们会堆积在负极表面,加速电池衰减。

上述问题导致锂金属电池循环寿命短、容量衰减快、安全性差。尤其是快速衰减的容量直接影响电池的可用电量,使其无法应用到要求长周期稳定输出的电动汽车上。

锂金属电池容量衰减机理新发现

最近,斯坦福大学崔毅团队在《自然》杂志发表研究报告, they made an interesting discovery about the capacity decay mechanism in lithium metal batteries.

通过对电池在 unterschiedlichen Status 通过 in-situ 显微镜观察,他们发现在电池闲置时,负极表面的固体电解质隔膜(SEI膜)会溶解。这一发现启发他们设计了一个简单的容量恢复方法:先彻底放电使电池处于零容量状态,然后静置1小时后再充电。测试发现,这种方式可以使电池的可充电容量恢复到大于100%的水平。

通过视频镜像观察,科学家们终于揭开了谜底:原来在静置期间,SEI膜的溶解使堆积的“死锂”碎片被再活化,重新与负极相连接,因此之前衰减的容量得以恢复。

这个发现说明,所谓的“死锂”并不是完全不可逆的,通过电解质溶解可以实现“死锂”的再生利用。这为锂金属电池寿命的延长提供了全新的思路。

电池管理创新,有望实现锂金属电池商业应用

研究团队指出,电动车一般装配数千个电池芯,只需要重新编程电池管理系统,按一定规律轮流放电各个电池,并插入1小时的静置时间,就可以低成本地持续恢复电池容量,延长其循环寿命。

这意味着,即使当前锂金属电池单体的循环次数有限,通过电池管理的创新优化,也可以完全规避容量衰减问题,实现可持续循环使用。与此同时,“死锂”的溶解也可以降低短路风险,提高电池安全性。

可以预见,这项科研成果很可能会推动锂金属电池技术在电动汽车应用领域的商业化进程。一旦锂金属电池量产并得到有效的电池管理,动力电池系统的能量密度可望实现质的飞跃,电动汽车的续航里程也将迎来革命性的提升。

展望未来,我们有理由相信,锂金属电池技术终将成为实现纯电动汽车与燃油车能源密度严重不配的问题,创造电动车行业发展新契机的关键所在。这不仅将极大推动电动汽车的普及度,也是实现可持续出行的重要一步。