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新能源“探路人”
  新华网 ( 2019-06-25 07:26:13 ) 来源: 《环球》杂志
 

    在固态锂电池方面,日本走在世界前列。

文/刘坚

  电动汽车渐成全球交通行业大势所趋,以太阳能为代表的可再生能源也已成为当今全球各国能源变革的核心内容,目前许多国家都在持续推动新能源的快速发展。

锂电池

  近年来,欧美和日本等传统汽车强国陆续投放电动汽车产品,电动汽车市场规模不断扩大。根据国际能源署的统计,2018年全球电动乘用车保有量已超过500万辆。为应对气候变化和实现减排承诺,德国、英国、挪威等国更是提出燃油汽车禁售目标,为电动汽车的持续发展营造了有利的政策环境。电动汽车行业的蓬勃发展,离不开电池技术的日臻成熟。

  当前应用最为广泛、技术进步最明显、成本下降速度最快的电池技术,非锂离子电池莫属。2018年锂离子电池能量密度已普遍达到160Wh/kg,充放电循环寿命在1000次以上,基本能够满足一般私家车单次充电续航300公里和全生命周期30万公里的需求。

  更重要的是,锂离子电池还有可观的技术进步空间。国内外研究机构普遍认为,2020年左右锂离子电池能量密度有望突破300Wh/kg,并在2025年趋近500Wh/kg,届时电动汽车的续航能力甚至有望超过1000公里。

  然而,锂离子电池技术还需克服一系列难题,其中电池安全问题首当其冲。三元锂电池在200℃左右的环境就会分解,并释放出氧分子进而燃烧。尽管目前动力电池在电池模块和系统设计方面已经采取了先进的电源管理技术、冷却技术、密封技术、散热技术等,基本满足了电动汽车对安全性的要求,但依然存在着热失控、起火燃烧等危险。导致其燃烧的根本原因是,锂离子电池电解质属于可燃的有机溶液。

  为破解当前锂离子电池的安全性问题,科研界提出了固态锂电池方案。固态电池采用全新固态电解质取代当前有机电解液和隔膜,电池不含任何液体,具有高安全性、高体积能量密度。同时,它与不同新型高能量密度电极体系(如锂硫体系、金属-空气体系等)具有广泛适配性,在提高电池能量密度的同时,能保证安全性。因此,固态锂电池成为世界上最受关注的下一代电池技术路线和竞争热点。

  日本在固态锂电池方面走在世界前列。东京工业大学神野教授及其团队一直致力于全固态锂电池尤其是全固态电解质的研发。神野教授团队2011年发现固态电解质Li10GeP2S12(LGPS),该电解质的电导率达到10mS/cm,与现有液态电解液电导率相当。2016年,该团队又进一步发现离子电导率达到25mS/cm的电解质。

  法国阿曼德教授从上世纪70年代开始研究聚合物电解质,目前采用PEO(聚环氧乙烷)电解质的固态金属锂电池已成功在电动汽车上应用。

  法国博洛雷(Bolloré)集团已经将其子公司BatScap生产的PEO基固态锂离子电池用于电动汽车Bluecar。这是国际上第一个采用固态锂电池的电动汽车案例。

  除了科研单位,领先的电池企业如日本索尼、松下,韩国LG化学、三星SDI,中国宁德时代也已经开始布局固态锂电池的研发。汽车企业如丰田、大众等,都将固态锂电池作为下一代车用电池展开布局。此外,美国近几年成立的一批初创公司,如Sakit3、Solid Energy、QuantumScape等也正在开发固态锂电池。

  日本政府更是将固态电池研发提升到国家战略高度。2017年5月,日本经济产业省宣布出资16亿日元,联合丰田、本田、日产、松下、GS汤浅、东丽、旭化成、三井化学、三菱化学等顶级产业链力量,共同研发固态电池。

  从全固态电池的专利持有主体情况来看,日本、韩国均以产业界为主导。其中,丰田的专利件数遥遥领先,达193件;富士以59件专利持有量位居第二;村田制造所排名第三,持有51件专利。

太阳能

  近年来,太阳能发电不管是在装机量还是技术方面都成长迅速。除了市面上最常见的硅晶光伏外,碲化镉、砷化镓、铜铟硒等薄膜光伏能量转换效率也在逐步提升。光电转换效率是衡量太阳能光伏把光能转换为电能的能力,目前市面上最普遍的硅晶转换效率为15%~22%。近年来,各国科学家纷纷通过添加新材料、打造串叠电池、运用纳米科技等手段来提高光电转换效率。

  德国哈梅恩太阳能研究所(ISFH)于2018年研发出转换效率高达26.1%的P型多硅晶光伏,并计划近期推出商业化产品。中国厂商隆基乐叶也将单晶太阳能中的PERC技术转换效率提高到24.06%。

  近年来,也有科学家为了提高转换效率,从在光伏中添加新元素直接升级到添加其他电池。例如,英国太阳能厂商Oxford PV的钙钛矿-硅晶串叠型太阳能电池转换效率高达28%。

  不少科学家在光伏中加入纳米线、纳米粒子、纳米碳管等,试图利用纳米材料的高比表面积来增加吸光效率,从而突破33.7%的肖克利-奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit,指单p-n节太阳能电池所能达到的理论能量转换极限)。

  香港理工大学结合高电导纳米材料与半导体二氧化钛纳米纤维,使太阳能转换效率增加40%~66%。美国国家标准暨技术研究院(NIST)也研发出低成本纳米级涂层,利用数千个宽度相当于头发百分之一的纳米玻璃珠,让光波绕着纳米珠粒旋转,进而增加了20%的光吸收与电池电流。

  此外,2018年德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所基于III-V族化合物半导体材料,采用多结叠层太阳能光伏的设计,使聚光光伏发电(CPV)的光电转化效率达到了41.4%。

  (作者系发改委能源研究所助理研究员)

来源:2019年6月26日出版的《环球》杂志 第13期

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