伯克利實驗室推新電池技術 或提高電動車續航

    日前，美國伯克利國家實驗室提出了一種能在現役的鋰離子電池基礎上增加兩倍的能量密度，同時在一定程度上提升電池壽命的解決方案。

    伯克利實驗室所提出的解決方案是，在鋰離子電池中，用一種硫氧化石墨烯（S-GO）制成的納米復合材料作為陰極反應物。使其放電效率高達6C（1C = 1.675 A/g硫元素），充電效率高達3C，同時還能確保較高的能量密度（6C時可達800 mA·h/g硫）。此外，電池的完整循環充放電次數能超過1500次，單次衰退率只有0.039%。這可能是目前為止，鋰離子-硫電池所能實現的最好水平。

    1500次完整循環充放電如何理解？大家可以想一下，如果一臺電動汽車每天都進行一次完整的從0至100%的充放電循環的話，那么1500次足夠支持4年左右。也就說，這臺電動汽車的電池在使用4年后就必須更換。而常用的鋰電池中，鈷酸鋰的循環次數可達500次左右，而磷酸鋰也只能達到1000次左右。也就是說，隨著充放電次數的不斷增加，鋰離子電池的容量在不斷“衰退”。這其實跟使用次數沒有太大關系，造成衰退的主要原因是溫度。

    所以，在日常使用電動汽車的時候，電池的電量并不會充滿100%；多是保持在40%-60%這個水平上。一是避免完整的充放電縮減壽命，二是在各種溫度下降低衰退率，三就是為電動汽車的能量制動回收留下空間。所以，像是Model S這類采用鈷酸鋰電池的車型，在設計之初就考慮到了電池組的拆卸情形。

    據悉，這種新型的鋰離子-硫電池的單電池結構（Cell-level），能量密度可以達到500 W·h/kg，比當前的鋰離子電池的密度（~200 W·h/kg）高出兩倍多。即便在經過1500多次完整充放電后，其電量容量依然可以保持較高水平（740 mA·h/g硫）。如果要實現目前汽油車輛300英里（約480公里）的續航，那么單電池結構的能量密度就必須要到達350至400W·h/kg。所以這種新型Li/S電池的能量密度理論上完全可以滿足這一需求。

    不過，伯克利實驗室的新構想依然面臨著巨大的挑戰，那就是電池的壽命。盡管能實現1500次的完整循環充放電，但從實用性和經濟性的角度講，這還遠遠不夠。原因是，在放電過程中，鋰離子的多硫化物容易從陰極消融，與鋰陽極發生化學反應生成Li2S，從而形成一個反應屏障。這就是為什么在經過幾次充放電后，電池的容量開始減少。

    目前在電動汽車動力電池領域，鋰離子電池已經取代了傳統的鎳氫電池成為市場新寵，它的能量密度高、輸出功率大，并且沖、放電速度快。我們常見的，無論是鈷酸鋰電池還是磷酸鐵鋰電池，都是鋰離子電池的一種。盡管如此，當前流行的鋰離子電池仍然存在幾大挑戰，如穩定性較差、容量易衰退，以及能量密度依然不及汽油燃料。

    這些限制造成了電動汽車用車中所謂的“續航焦慮”（Range Anxiety）。對于電動汽車的普及來說，這并不是個小問題。尤其是沒有汽油機作為備用動力的純電動汽車。之前Elon Musk駕駛Model S橫跨美國，也是為了進一步打消市場對Tesla電動汽車的續航能力質疑。目前，伯克利國家實驗室正在尋求合作伙伴，來進一步解決Li/S電池的壽命問題。其中，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所也參與該技術的研究。<