鋰電池是新能源儲能器件及關鍵技術

蘇方遠，我國科學院炭材料重點試驗室、我國科學院山西煤炭化學研究所副研究員，緊要研究范疇包括新型電化學儲能器件體系及工藝開發、碳材料電化學過程模擬、基于多孔電極理論的儲能器件仿真、機器學習在儲能器件開發中的使用等。作為負責人及執行負責人完成和主持國家、山西省和國內外公司委托項目十余項，涉及鋰電池、超級電容器、鋰離子電容器、鋰硫電池等多種電化學儲能器件。

4核心提示新能源儲能器件之鋰電池（一）

鋰電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，惟有鋰離子，是一種二次電池（充電電池），它緊要依賴鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。

鋰電池優點分明，電壓高單體電池的工作電壓高達3.7-3.8V；能量大，能達到的實際比能量為555Wh/kg左右；循環壽命長，一般均可達到500次以上，甚至1000次以上；安全性能好；自放電小，室溫下洋溢電的Li-ion儲存1個月后的自放電率為2%左右；可快速充電。但與其它充電電池不同，鋰電池的容量會緩慢衰退。

5 核心提示新能源儲能器件之鋰電池（二）

在全球電動車市場快速上升帶動下，全球鋰電池快速上升。2018年，全球鋰電池產業達到412億美元，按容量計算達到200GWh。2018年，我國鋰電池市場1700億元，動力鋰離子電池890億元，消費類電池750億元，儲能電池占3-4%。從2017年開始，動力鋰離子電池超過消費類電池。

關于動力鋰電池行業來說，2018年全球新能源汽車銷售210萬輛，其中69%為純電動，31%為插電式混動。依據2017年工業和信息化部、發展改革委和科技部聯合公布有關印發《汽車產業中長期發展規劃》，到2020年，新能源汽車年產銷達到200萬輛，2025年，新能源汽車占汽車產銷 20%以上。

6核心提示新能源儲能器件之鋰硫電池（一）

鋰硫電池是鋰電池的一種，是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負極的一種鋰電池。鋰硫電池以硫為正極反應物質，以鋰為負極。放電時負極反應為鋰失去電子變為鋰離子，正極反應為硫與鋰離子及電子反應生成硫化物，正極和負極反應的電勢差即為鋰硫電池所供應的放電電壓。在外加電壓用途下，鋰硫電池的正極和負極反應逆向進行，即為充電過程。單質硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環境友好等特點。除了能量密度非常高外，鋰硫電池加工成本比較低，在使用后低毒，對環境基本沒有污染，回收利用的能耗較小，是一種非常有前景的鋰電池。但最大的劣勢在于其循環利用次數比較低，極大地新增了鋰硫電池的使用成本。

國外鋰硫電池研發較早，處于產業化初期。美國Sion Power公司，2016研發制作的鋰硫電池，20Ah，400Wh/kg，1C循環350次；英國OXIS，2018年研發制作的鋰硫電池能量密度425-500Wh/kg，循環低于100次。

目前，國內已有部分研究機構制作出鋰硫電池樣品，但距離成為工業化產品還有很長的路要走。2018年，中科院大連化物所研發制作的鋰硫電池，能量密度為609Wh/kg。2019年，北京理工大學研發制作的鋰硫電池，能量密度545Wh/kg。但由于鋰硫電池極片載硫量低，體積比能量低，不能滿足工業化需求；循環壽命、功率輸出、充電時間等未能滿足要求；金屬鋰負極的安全性和長循環壽命還未得到很好的處理（鋰枝晶生長，金屬鋰粉化），其產業化遇到了瓶頸。

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