原创 伯克利实验室新型Li/S电池或将解决电动汽车续航问题

之前有报道过麻省理工的科研人员，利用一种叫做M13的病毒来增加锂离子-空气电池的反应面积，增大电池的能量密度，可让电动汽车续航提升至550公里。现在，美国伯克利国家实验室提出了另外一种解决方案，能在现役的锂离子电池基础上增加两倍的能量密度，同时在一定程度上提升电池寿命。

伯克利实验室所提出的解决方案是，在锂离子电池中，用一种硫氧化石墨烯（S-GO）制成的纳米复合材料作为阴极反应物。使其放电效率高达6C（1C = 1.675 A/g硫元素），充电效率高达3C，同时还能确保较高的能量密度（6C时可达800 mA·h/g硫）。此外，电池的完整循环充放电次数能超过1500次，单次衰退率只有0.039%。这可能是目前为止，锂离子-硫电池所能实现的最好水平。

1500次完整循环充放电如何理解？大家可以想一下，如果一台电动汽车每天都进行一次完整的从0至100%的充放电循环的话，那么1500次足够支持4年左右。也就说，这台电动汽车的电池在使用4年后就必须更换。而常用的锂电池中，钴酸锂的循环次数可达500次左右，而磷酸锂也只能达到1000次左右。也就是说，随着充放电次数的不断增加，锂离子电池的容量在不断“衰退”。这其实跟使用次数没有太大关系，造成衰退的主要原因是温度。

所以，在日常使用电动汽车的时候，电池的电量并不会充满100%；多是保持在40%-60%这个水平上。一是避免完整的充放电缩减寿命，二是在各种温度下降低衰退率，三就是为电动汽车的能量制动回收留下空间。所以，像是Model S这类采用钴酸锂电池的车型，在设计之初就考虑到了电池组的拆卸情形。

据悉，这种新型的锂离子-硫电池的单电池结构（Cell-level），能量密度可以达到500 W·h/kg，比当前的锂离子电池的密度（~200 W·h/kg）高出两倍多。即便在经过1500多次完整充放电后，其电量容量依然可以保持较高水平（740 mA·h/g硫）。如果要实现目前汽油车辆300英里（约480公里）的续航，那么单电池结构的能量密度就必须要到达350至400W·h/kg。所以这种新型Li/S电池的能量密度理论上完全可以满足这一需求。

不过，伯克利实验室的新构想依然面临着巨大的挑战，那就是电池的寿命。尽管能实现1500次的完整循环充放电，但从实用性和经济性的角度讲，这还远远不够。原因是，在放电过程中，锂离子的多硫化物容易从阴极消融，与锂阳极发生化学反应生成Li2S，从而形成一个反应屏障。这就是为什么在经过几次充放电后，电池的容量开始减少。

目前在电动汽车动力电池领域，锂离子电池已经取代了传统的镍氢电池成为市场新宠，它的能量密度高、输出功率大，并且冲、放电速度快。我们常见的，无论是钴酸锂电池还是磷酸铁锂电池，都是锂离子电池的一种。尽管如此，当前流行的锂离子电池仍然存在几大挑战，如稳定性较差、容量易衰退，以及能量密度依然不及汽油燃料。

这些限制造成了电动汽车用车中所谓的“续航焦虑”（Range Anxiety）。对于电动汽车的普及来说，这并不是个小问题。尤其是没有汽油机作为备用动力的纯电动汽车。之前Elon Musk驾驶Model S横跨美国，也是为了进一步打消市场对Tesla电动汽车的续航能力质疑。目前，伯克利国家实验室正在寻求合作伙伴，来进一步解决Li/S电池的寿命问题。其中，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所也参与该技术的研究。