石墨烯電池

? ? ? ? 什么是石墨烯電池?嚴格定義的石墨烯是由碳原子組成的單層石墨，是只有一個碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有非常好的導熱性、電導性、透光性，而且強度高、超輕薄、比表面積超大。

? ? ? ? 廣義的石墨烯包括雙層石墨烯、多層石墨烯、3D石墨烯、石墨烯氧化物、量子點石墨烯等。因微觀構造和表面官能團的不同，其性質也有很大差異。市場上多數石墨烯產品都是按照此類劃分，為多層石墨結構。

? ? ? ? 石墨烯產品在電池中的應用，在理論上有許多設想和研究方向，比如石墨烯導電漿料添加至正極，涂于或直接用作隔膜，用作或包裹負極材料等，以磷酸鐵鋰電池為例，具體地展示了石墨烯在電池產品中的應用場景。市場上習慣把運用了石墨烯材料的電池概稱為石墨烯電池，而不特指用作負極的電池，不是嚴格意義上的石墨烯電池。

石墨烯產品在電池中的應用圖解

? ? ? ? 石墨烯粉末應用于電池領域主要有四大應用：1)正負極導電添加劑，可提升充電速度。2)石墨烯復合電極材料，如硅碳復合負極材料或包覆磷酸鐵鋰，能夠提升電池容量。3)石墨烯功能涂層，降低電池內阻，提升電池壽命。4)石墨烯直接用作負極，理論比容量是當前石墨負極的兩倍。

? ? ? ? 石墨烯與新型負極材料的結合，主要是利用石墨烯片層柔韌性來緩沖這些高容量電極材料在循環過程中的體積膨脹，同時考慮石墨烯優異的導電性能可以改善材料顆粒間的電接觸降低極化，這些效用均可有效改善復合材料的電化學性能。然而，運用常規的碳材料復合技術和工藝，同樣能夠取得類似甚至更好的電化學性能。比如硅碳復合負極材料，相比于普通的干法復合工藝，復合石墨烯并沒有明顯改善材料的電化學性能。因此，石墨烯粉體材料在負極電極上的應用前景尚不明朗，石墨烯用作硅碳負極的包覆材料或許前景更為光明。

鋰硫電池

? ? ? ? 鋰硫電池理論能量密度高達2600Wh/kg-1，是未來最具應用前景的新型二次電池之一。但其充放電過程中的中間產物在電解液中具有一定的溶解性，易擴散到負極，并與鋰金屬反應，造成正極活性物質損失，并腐蝕鋰負極，嚴重影響了電池的循環穩定性，成為制約其商業化應用最關鍵問題。該工作借鑒了鐵電材料與光催化領域的最新研究進展，簡單地將鐵電材料BaTiO3作為添加劑加入到正極漿料之中，利用納米BaTiO3自發極化特性吸附同樣為極性的中間產物，顯著提升鋰硫電池的循環穩定性。比其他思路，該方法操作簡單，可無縫銜接到目前鋰電池電極制造工藝之中，適合工業化生產。

無鈷高電壓電池

? ? ? ? Nano one公司宣布成功研制無鈷高電壓鋰電池陰極材料——高電壓尖晶石。該材料只含鋰、錳、鎳而不含鈷元素，與已商業化的含鈷電池材料相比，具有輸出電壓高，壽命長，安全性高，電池容量和放電功率大的特點，同時降低了成本、環保和供應鏈的風險壓力。高電壓電池材料重量輕、體積小和成本低的優勢將在未來電動汽車和數碼產品中發揮重大作用。

鋰空氣電池

? ? ? ? 鋰空氣電池的基本化學原理十分簡單。這種電池通過鋰和氧結合成過氧化鋰實現放電，再通過施加電流逆轉這一過程而完成充電。放電時，從負極出發的鋰離子在正極與空氣中的氧氣反應，產生一種叫過氧化鋰的固體產物，填充于碳電極的孔隙中。充電時，化學過程逆轉，過氧化鋰被分解釋放氧氣。

? ? ? ? 鋰空氣電池的原型其實在很早之前就已經被成功制造了出來，該電池的蓄電能力理論上是目前市場上鋰離子電池的10倍，而由于鋰金屬在化學上具有極其不穩定性，實際應用時存在多個重大缺陷。和目前的可充電電池中盛行的鋰離子技術相比，鋰空氣電池理論上可存儲的能量要多得多。理論上這樣的能量密度可使電動車續航能力接近傳統汽油汽車，而且鋰空氣電池的成本和重量只有現在市面上銷售的電動汽車所使用的鋰離子電池的1/5。

? ? ? ? 劍橋實驗室開發出的鋰空氣電池模型蓄電能力約為3000瓦時/千克，是現有鋰離子電池的約8倍，可循環充放電2000次左右，首次循環充放電效率高達93%，即充入電池中93%的能量在放電時都能被使用。但是至少還需10年的工作才能將該電池變為可用于汽車和電網蓄電的商業電池。

固態鋰電池

? ? ? ? 固態鋰電池是一種使用固體電極和固體電解液的電池。由于固態鋰電池的功率重量比較高，所以它是電動汽車很理想的電池。它的工作原理與液態電解質鋰離子電池的原理相通。在構造上，全固態鋰電池比傳統鋰離子電池要簡單，固體電解質除了傳導鋰離子，也充當隔膜的角色。因此，在全固態鋰電池中，電解液、電解質鹽、隔膜與黏接劑聚偏氟乙烯等都不需要使用，大大簡化電池的構建步驟。

? ? ? ? 2016年，中科院寧波材料技術與工程研究所和物理所共同合作研發出一款全固態鋰離子電池。使用Co9S8-Li7P3S11作為電解質(與液態電解液的電導率相當)，Li7P3S11-SuperP作為正極，金屬鋰作為負極，也就是用石墨做負極，用硫化物復合電解質，為無機電解質。

? ? ? ? 該款電池用鈷酸鋰做正極，4Ah的電池，這種電池的性能同樣非常優異，它的能量密度是240瓦時/公斤，常溫循環500次，容量還有88%多。通過了一系列針刺、過充、短路、強制放電、高溫循環的實驗。

不燃燒電池

? ? ? ? 鋰離子電池在發生熱失控時，放熱量最多的是電解液，因此不燃燒電解液是保證電池不燃燒所要解決的最重要問題。微宏歷時8年研發出了不燃燒電池技術，主要從隔膜耐高溫、電解液不燃燒的主動防御，與STL智能熱控流體技術的被動防御兩個層面解決鋰離子電池的安全困局。

? ? ? ? 與普通的PE隔膜相比，耐高溫隔膜熔點更高，可以保證電池即便在300攝氏度的高溫下也不會發生收縮，防范電池內部短路，從而避免熱失控。在解決了鋰離子電池內部的電解液以及隔膜的問題，相當于為不燃燒電池主動設立了防御措施。

? ? ? ? STL智能熱控流體技術是指將電池組浸沒在液體里，利用絕緣導熱液體作為絕緣、阻燃、導熱性能俱佳的材料，能夠在電池組內部發生細微內短路的情況下，快速隔絕熱失控點，同時利用液體降低熱失控點的溫度，最大程度地降 低了電池組安全風險。STL除了安全以外，也能夠均衡電池組內部溫度差異、并利用外部循環實現更好的溫度控制，同時即便電池組漏液，也能及時通過液體檢測發現，安全更有保障。

? ? ? ? 不燃燒電解液與耐高溫隔膜兩個主動的防御措施，配合STL智能熱控流體這一被動防御措施，最終實現了電池系統級別的不燃燒、高安全與高性能。

氫燃料電池

? ? ? ? 氫燃料電池是使用氫這種化學元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是通過氫氣與空氣中的氧氣進行非燃燒的氧化還原反應，通過催化劑實現電子與離子的分離，進而產生電流，推動汽車電機的運轉。質子交換膜燃料電池是最常見的燃料電池，因此氫離子可直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當電子通過外電路流向陰極時就產生了直流電。

? ? ? ? 目前，世界上僅有3款實現量產的氫燃料電池車，分別為豐田Mirai、本田Clarity和現代ix35/途勝Fuel Cell氫燃料電池車。

? ? ? ? 在多家歐洲車企加入氫燃料電池車的研發行列后，預測在未來十年左右的時間里迎來至少14款全新的氫燃料電池車型。由于一座加氫站大約2000萬元的建設費用，加氫站的建設將是一大挑戰。

? ? ? ? 燃料電池汽車，不改變用戶駕駛習慣，解決了鋰電池續航里程焦慮和快速補充能源的問題，在低溫啟動、循環壽命與回收技術上也接近內燃機的性能，被認為是下一代能源技術。根據國際能源署的展望，美國、歐洲、日本為了實現2攝氏度的溫控目標，2050年燃料電池乘用車保有量將達1億臺，占比約30%。目前成本、加氫站、氫氣來源是橫在燃料電池面前的三座大山，需要邁過。預計市場加速向上拐點將于2020-2025年出現。

鋁—石墨雙離子電池

? ? ? ? 鋁—石墨雙離子電池，是一種全新的高效、低成本儲能電池。這種新型電池，用石墨取代鋰電池里的鋰化合物，作為正極材料，用鋁箔作為負極材料和負極集流體。電解液則由常規鋰鹽和碳酸酯類有機溶劑組成，是由中國科學院深圳先進技術研究院唐永炳研究員及其團隊研發的。

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? ? ? ? 該新型電池在充電過程中，正極石墨發生陰離子插層反應，而鋁負極發生鋁-鋰合金化反應，放電過程則相反。這種新型反應機理，不僅可以顯著提高電池的工作電壓(3.8-4.6V)，同時大幅降低電池的質量、體積、及制造成本，從而全面提升全電池的能量密度(~220 Wh/kg)。

? ? ? ? 據悉，500kg的鋁-石墨電池的續航里程可達到約550公里，而同等重量的普通電動汽車電池，續航里程最多只有400多公里。新型電池與傳統鋰電技術相比，鋁-石墨電池可將生產成本降低約40%-50%，能量密度提高至少1.3-2.0倍。若該電池技術能夠成熟，將會對目前動力電池格局造成有力沖擊。

鈦酸鋰電池

? ? ? ? 得到了董小姐力挺，鈦酸鋰電池可謂是出盡風頭。鈦酸鋰電池未來是否會成為電池的主流也成為時下爭議的焦點。那么鈦酸鋰電池到底什么來路又有何能耐呢?

? ? ? ? 鈦酸鋰電池是一種以鈦酸鋰為負極的可與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4V或1.9V的鋰離子二次電池。鈦酸鋰電池可以實現6分鐘快充放、循環次數可達3萬次以上，這在使用與經濟性上明顯優于市場上常見的鋰電池。鈦酸鋰電池在安全性能、充放電以及循環壽命等方面的顯著優勢，直指當今市面上其它類型動力電池的痛點。缺點在于能量密度低、脹氣、價格高等，因此鈦酸鋰電池在業內的前景褒貶不一。

? ? ? ? 2016年工信部公布的285-291批次《道路機動車輛生產企業及產品公告》中有52款車型搭載了鈦酸鋰電池，當前搭載的車型以純電動客車為主，部分乘用車企也在嘗試將鈦酸鋰電池用于乘用車。三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池。未來動力電池市場，鈦酸鋰電池或將與三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池形成三足鼎立態勢。

鋰陶瓷電池

? ? ? ? 輝能科技研發出鋰陶瓷電池，包括FLCB軟板鋰陶瓷電池、PLCB軟包鋰陶瓷電池及ELCB高體積能量密度鋰陶瓷電池三款，除了ELCB系列以外，其余兩款目前均已進入量產階段。

? ? ? ? FLCB軟板鋰陶瓷電池是世界上首款基于FPC軟板基材的鋰電池，不僅擁有極佳的動態彎曲與卷曲能力，而且厚度僅僅只有0.38mm。電池采用了不可燃的固態陶瓷電解質，因此其在受到撞擊、穿刺、水浸或剪切等物理破壞時，也不會發生漏液、起火甚至是爆炸的情況，安全性能非常高。 PLCB軟包鋰陶瓷電池采用鋁塑膜進行封裝，因此容量上要比FLCB軟板鋰陶瓷電池大，而且與后者相同，PLCB軟包鋰陶瓷電池在受到物理傷害時也不會產生任何危險情況。ELCB高體積能量密度鋰陶瓷電池，擁有高達810Wh/L的特色，電容量達到了目前市售鋰電池的1.2~1.5倍，同時其他特性與前兩款產品保持一致。

? ? ? ? 雖然目前FLCB、PLCB等技術已經相當成熟，而且也有不少產品采用這類技術如HTC One Max的電池皮套等，但由于產能問題，導致這類電池產品目前還無法出現在手機等設備上。