让锂离子电池“面貌一新”
电子报记者付毅飞
“你知道我国现在面对最火急的问题是什么吗？”承受采访时，中科院物理所黄学杰研讨员忽然笑眯眯的问道。平常习惯了向他人发问，猛然间自己被问了一句，记者一时没有反应过来。不等记者答复，黄学杰接着说道：“动力问题是我国面对的火急问题，关于缓解石油和电力的严峻，充电电池能够起到严峻效果。”
锂离子电池缓解动力严峻
跟着对现有资料和电池规划技能的改善以及新资料的呈现，锂离子电池的运用规模不断被拓宽。民用已从信息工业（移动电话、PDA、笔记本电脑等）扩展到动力交通（电动轿车、电网调峰，太阳能、风能电站蓄电），军用则涵盖了海（潜艇、水下机器人）、陆（陆军兵士体系、机器兵士）、天（无人飞机）、空（卫星、飞船）诸军种，锂离子电池技能已不是一个单纯一项工业技能，它攸关信息工业的开展，更是新动力工业开展的根底技能之一，并成为现代和未来军事装备不行短少的重要“粮食”之一。
黄学杰说，锂充电电池的研讨早在国家863“七五”方案中就列为专题，一向进行到现在。初期首要研讨锂充电电池，后来为了处理金属锂负极不安稳的问题，开展出以储锂资料为负极的锂离子电池，现在现已广泛用在了手机、笔记本电脑、MP3等电子产品上。
现在的锂离子电池用处远不止如此。黄学杰向记者介绍说：“日本丰田公司出产的一款混合动力轿车，百公里耗油仅3升，约为平等级一般轿车的一半，此车装备的高功率充电电池是和发动机平等重要的部件。”他表明，混合动力轿车将油和电两种动力结合运用，电池供给电能以驱动一个电动牵引电机，而发动机则在必要时滚动，为电池充电或为加快供给额定的动力发动机这种混合动力轿车一旦遍及，能够缓解石油、污染等问题。
对处理现在严峻的电力问题，锂离子电池相同能够发挥重要效果。黄学杰说：“当时咱们所说的电力紧缺，其实不是肯定现象，而是用电严峻不平衡构成的。白日一些时段用电量较大，导致电力严峻，但深夜到清晨用电少，电力又有充裕。发电厂不行能依据用电的峰谷来调理发电量，这时就又需求电池发挥效果。”他告知记者：“在日本，部分家庭装备了锂离子电池，在用电低谷时充电，顶峰时运用，是一种处理电网负荷平衡的抱负办法。”此外，现在所发起的一些清洁动力如风能、太阳能等都存在相似不安稳的状况，有必要与电池结合运用。
“不导电”的正极资料
锂离子电池具有能量密度高、寿数长、环保等长处，面世往后敏捷代替了镉镍、镍氢等传统电池的位置，自1991年日本索尼公司首先将其产品化往后，商场规模不断扩大，仅用了十年，全球产量就逾越了镉和镍氢电池之和。但是，因为资料需求量飞速增加，锂离子电池的本钱问题现已日益凸现出来。怎么让锂离子电池“面貌一新”？
“863方案首先在电池的新资料研讨开发方面给予咱们多项支撑。”黄学杰介绍，正极资料是现在锂离子电池中本钱最为杰出的资料，一起也直接关系到电池的安全功用和电池完成大型化的或许，但传统正极资料———钴酸锂的年需求量已逾越一万吨，然后导致钴价大幅攀升，资源缺乏已开端限制工业开展。“咱们开展锰系和铁系资料，以进步电池的性价比和安全功用为主旨，现在现已开宣布高功用锰酸锂和氧空位磷酸铁锂正极资料。”
经过外表改性，大幅度进步锰酸锂正极资料的高温安稳性和大电流充放电才能，2004年头该资料的批量出产为混合电动轿车电池研发成功和小型动力电池的工业化供给了正极资料保证。
磷酸铁锂具有安稳、寿数长等长处，但却存在一个要害问题———电导率很低，不导电的资料怎么能做正极资料？黄学杰笑着告知记者：“说来风趣，处理这个问题的办法是被咱们‘算’出来的。”
他说：“研讨磷酸铁锂时，咱们没有像一般那样查阅国外资料后即进行很多的改动成分和组成条件的试验，而是先进行理论核算猜测和组成办法进行探究。经过第一性原理核算，咱们发现经过掺杂，构成氧的空位能进步导电性，这一发现为资料组成指明晰方向。依据咱们开展出的一种共同的组成办法，制备出可逆容量达160mAh/克的氧空位磷酸铁锂资料，循环500次容量未见衰减，特别是具有高倍率（10C）放电才能。863方案一期项目检验时，与会专家共同以为这项效果居于世界领先水平，取得了重要的原创性效果。”他表明：“这项效果申请了3项发明专利，现在中试工作进展顺畅，一次组成量由几十克级扩展到几十公斤级，已具有50千克/批次的试产才能。别的猜测寿数也可抵达30至40年几千次。”
新型资料扩展锂离子电池运用规模
针对钴资源缺少的问题，能够代替钴酸锂的钴镍锰酸锂正极资料也成功研发出来。黄学杰说：“这种资料归于氧化物型层状正极资料，1980年代初即被发现，组成难度远高于钴酸锂，晶型操控特别困难，一向未取得运用，咱们开展出共同的前驱体组成技能和加锂技能，80％的钴被锰和镍代替,并完成了对晶粒尺度的操控，组成资料的可逆容量抵达165mAh/克，比钴酸锂高10％以上，循环寿数抵达500次。”
此外，项目组还开展出了一种具有自主知识产权的三氧化二铝外表润饰技能，运用于改性进尖晶石锰酸锂资料，出产出可逆容量抵达107mAh/克，55C循环200次容量坚持率大于90％，优于世界同类产品水平，是国内第一个可用于混合电池用高功率锂离子电池的资料，保证了电动轿车严峻专项高功率锂离子电池项目的顺畅推动。黄学杰说：“2004年，北京星恒公司基于此资料制作的高功率混合轿车用锂离子电池全面经过了863方案电动轿车严峻专项安排的一致测验，功率抵达1200W/千克，安全性、循环、高低温功用等测验悉数经过，本年预期抵达1800W/千克并经过UL认证测验。别的，星恒10Ah高能量型和7.5Ah高功率型锂离子动力电池还经过美国UL安全测验，成为我国本乡第一个经过UL认证的锂离子动力电池，为该类电池进入世界商场铺平了路途。”
负极资料是锂离子电池中承当锂贮存功用的要害资料，重要性相同不容忽视。黄学杰介绍：“现在运用于产品锂离子电池的石墨负极资料可逆容量均在300－340mAh/克。对此，咱们开宣布纳米孔硬碳球、元宵结构复合负极资料，现在复合负极资料的可逆容量现已抵达600mAh/克。一起研发出石墨化纳米纤维导电添加剂，能够进步高功率电池的功率密度。”
他告知记者，仅正负极资料即已申请了国内发明专利21项，其间四项取得授权，并已取得两项世界发明专利授权。
黄学杰最终表明：“我国的锂离子电池工业开展很快，现在已成为世界第二大锂离子电池出产国，仅次于日本。咱们往后要做的便是开发大型锂离子电池的新资料，在降低本钱的一起，还要让电池愈加安全、长命。”
■链接
锂离子电池是近几年呈现的金属锂蓄电池的代替产品，它的阳极选用能吸藏锂离子的碳极，放电时，锂变成锂离子，脱离电池阳极，抵达锂离子电池阴极。锂离子在阳极和阴极之间移动，电极自身不发生改变。这是锂离子电池与金属锂电池本质上的不同。锂离子电池的阳极为石墨晶体，阴极一般为二氧化锂。充电时，阴极中锂原子电离成锂离子和电子，而且锂离子向阳极运动与电子组成锂原子。放电时，锂原子从石墨晶体内阳极外表电离成锂离子和电子，并在阴极处组成锂原子。所以，在该电池中锂永久以锂离子的形状呈现，不会以金属锂的形状呈现，所以这种电池叫做锂离子电池。
■数字863
我国的锂电池研讨已继续近20年。
1986年至1995年，作为中科院“七五”国家严峻项目，在物理所陈立泉院士的掌管下，锂离子电池在试验室的研讨开发进程阅历了9年。
1996年，黄学杰接任课题组长，开端完成锂离子电池的工业化进程。
1997年，他们以国产设备和原资料为主，建成了国内首条年产20万只18650型锂离子电池芯的中试线，这种电池芯随后成功用于广播级摄像机电池。
1999年，成都地奥公司等决议出资3000余万元，就车用锂离子动力电池进行长时间布局。
1999年11月，北京星恒电源有限公司正式建立，以锂离子动力电池为开展方向，并以公司为主体开发锂离子动力电池的核心技能，为锂离子动力电池的工业化开发奠定了根底。
2001年，星恒公司承当了国家电动轿车项目的高功率锂离子电池课题，开端在北京建立了中试厂。
2002年，在国内首先处理了锂离子动力电池的正极、负极等要害资料的安全性问题。
2003年，参照美国UL规范进行了锂离子动力电池(10Ah、35Ah单体电池)的安全试验，其间包含过充满电穿刺、热箱试验(150℃)、3C倍率过充到10V、揉捏变形试验。
2004年10月，由北京星恒电源有限公司研发的高功率锂离子电池，运用于初次参加了在我国上海举办的必比登世界挑战赛的混合电动轿车———“逾越二号”，在七个比赛项目中取得了五个A。
2004年12月，公司一期产品电动自行车用锂离子电池开端进入商场。
