在電動交通、低空經(jīng)濟(jì)等新興產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式增長的當(dāng)下，傳統(tǒng)鋰電池的續(xù)航焦慮日益凸顯。近日，天津大學(xué)材料學(xué)院教授胡文彬、韓曉鵬團(tuán)隊聯(lián)合西北核技術(shù)研究院研究員、中國工程院院士歐陽曉平，特種化學(xué)電源全國重點實驗室高級工程師郭灝研發(fā)出革命性的“離域化”電解液體系，將金屬鋰電池能量密度提升至600瓦時/公斤，較現(xiàn)有商用電池續(xù)航能力提升3倍。該成果8月13日發(fā)表于國際期刊《自然》，標(biāo)志著我國在全球高能電池賽道實現(xiàn)從跟跑到領(lǐng)跑的關(guān)鍵跨越。
續(xù)航焦慮日益凸顯
“新興產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長，對電池性能提出了前所未有的要求。”胡文彬介紹，電動交通工具需要更長續(xù)航里程。低空經(jīng)濟(jì)中的無人飛行器對輕量化、高能量密度電源需求迫切，綠色儲能領(lǐng)域更是需要高效穩(wěn)定的能量存儲方案。
然而，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)鋰離子電池，已逐漸顯露出“力不從心”的疲態(tài)。目前商用鋰離子電池的能量密度普遍停留在200—300瓦時/公斤，已無法滿足無人機(jī)、高端電動車等場景對電池長續(xù)航、輕量化的需求。
以低空經(jīng)濟(jì)為例，根據(jù)中國民航局最新數(shù)據(jù)，2023年我國民用無人機(jī)市場規(guī)模已突破1200億元，但無人機(jī)飛行時間普遍局限在30—60分鐘。“電池重量占無人機(jī)重量的30%—40%。能量密度不足直接限制了其作業(yè)半徑和載荷能力。”胡文彬說。同樣，在電動汽車領(lǐng)域，消費者對續(xù)航里程的焦慮仍未消除。盡管主流車型續(xù)航里程已達(dá)500—700公里，但冬季衰減、快充損耗等問題依然突出。
傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度和性能已接近理論極限。相比之下，鋰金屬電池憑借其遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鋰離子電池的理論能量密度，被寄予厚望。胡文彬進(jìn)一步解釋：“鋰金屬的理論比容量是現(xiàn)有石墨負(fù)極的10倍以上。采用鋰金屬作為負(fù)極的電池，理論上能實現(xiàn)能量密度的跨越式提升。”
“這不僅是技術(shù)升級的需要，更是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。”胡文彬認(rèn)為。巨大的技術(shù)潛力與迫切的產(chǎn)業(yè)需求形成的強大合力，推動著全球科研力量加緊攻關(guān)，力求在新一代高能二次鋰電池的研發(fā)上實現(xiàn)關(guān)鍵性突破，為新興產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展注入強勁動力。
新設(shè)計理念突破傳統(tǒng)限制
面對傳統(tǒng)鋰電池的技術(shù)瓶頸，天津大學(xué)聯(lián)合科研團(tuán)隊創(chuàng)新性提出高能二次金屬鋰電池“離域化”電解液設(shè)計理念，突破傳統(tǒng)溶劑化結(jié)構(gòu)的限制。
“傳統(tǒng)鋰電池所使用的電解液配方較為單一。這種高度結(jié)構(gòu)化的體系限制了鋰離子的反應(yīng)行為。”韓曉鵬介紹，傳統(tǒng)電解液依賴單一溶劑主導(dǎo)結(jié)構(gòu)，鋰離子在其中的傳輸與反應(yīng)行為和界面穩(wěn)定性難以精準(zhǔn)調(diào)控，導(dǎo)致電池能量密度、循環(huán)壽命和安全性難以平衡。
為破解這一難題，研究團(tuán)隊依托天津大學(xué)學(xué)科優(yōu)勢，強化材料科學(xué)、電化學(xué)、人工智能、儲能等多學(xué)科交叉融合，構(gòu)建了電解液溶劑和鋰鹽組分高通量篩選平臺，并將先進(jìn)算法與篩選平臺融合，大幅縮短電解液體系研發(fā)周期。同時，團(tuán)隊積極開展國際合作與產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，與新加坡國立大學(xué)、特種化學(xué)電源全國重點實驗室及多家國內(nèi)頭部企業(yè)加強合作，聯(lián)合開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推進(jìn)原始創(chuàng)新與工程化應(yīng)用。
團(tuán)隊的核心創(chuàng)新在于打破了傳統(tǒng)電解液對單一溶劑主導(dǎo)結(jié)構(gòu)的依賴。“通過引入多組分體系，我們構(gòu)建了更加自由、多樣且無序的溶劑化微環(huán)境，顯著提升了電解液的成分多樣性和冗余度。”韓曉鵬解釋，這種設(shè)計為鋰離子在復(fù)雜微觀環(huán)境中的高效傳輸提供了有利條件，并實現(xiàn)了對電極反應(yīng)行為和界面穩(wěn)定性的精準(zhǔn)調(diào)控。
團(tuán)隊結(jié)合多種高分辨光譜技術(shù)與多尺度理論模擬手段，從分子層面深入揭示了“離域化”電解液的作用機(jī)制：它能有效降低鋰離子遷移能壘，同時抑制電極界面副反應(yīng)，提高反應(yīng)可逆性，從而在提升能量密度的同時，保障電池的循環(huán)壽命和安全性。
依托這一關(guān)鍵創(chuàng)新，團(tuán)隊率先在國際上研制出能量密度超過600瓦時/公斤的金屬鋰軟包電芯及超過480瓦時/公斤的模組電池，核心性能指標(biāo)較現(xiàn)有主流鋰離子電池提升2—3倍，為高能電池技術(shù)的實用化邁出了關(guān)鍵一步。
產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速
目前，這項原創(chuàng)性技術(shù)已從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段。研究團(tuán)隊依托天津大學(xué)國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺和貴金屬功能材料全國重點實驗室等國家級科研平臺，積極推進(jìn)科研成果的技術(shù)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用驗證，已建成具備自主知識產(chǎn)權(quán)的高能二次金屬鋰電池中試生產(chǎn)線。
在應(yīng)用場景方面，該技術(shù)已率先在我國三款型號的微型全電無人飛行器上實現(xiàn)實裝應(yīng)用，展現(xiàn)出“一克電池飛一公里”的卓越輕量化續(xù)航能力。“實裝測試顯示，搭載該電池的無人飛行器巡航時間較現(xiàn)有主流電池提升約2.8倍，獲得了整機(jī)單位和用戶單位的一致認(rèn)可。”胡文彬介紹。
值得關(guān)注的是，團(tuán)隊已系統(tǒng)掌握高能二次金屬鋰電池在“電解液—電極—電芯”全鏈條中的關(guān)鍵核心技術(shù)。生產(chǎn)線具備高一致性、高可靠性的批量化制備能力，初步構(gòu)建起面向規(guī)?；a(chǎn)的工程體系，其所需的關(guān)鍵原材料與工藝流程均實現(xiàn)自主可控。
“中試生產(chǎn)線預(yù)計將于今年下半年實現(xiàn)全面投產(chǎn)運行，有望為新一代高能量密度儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用提供堅實支撐。”胡文彬說。
展望未來，該技術(shù)在航空航天、新能源汽車、低空經(jīng)濟(jì)、消費電子、人工智能等多個前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。它不僅能推動飛行器、電動車及高性能電子設(shè)備在輕量化、長續(xù)航等關(guān)鍵方向?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展，還將帶動材料、制造、裝備等上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同升級，支撐綠色能源體系構(gòu)建和智能制造能力提升，服務(wù)國家“雙碳”目標(biāo)、“新質(zhì)生產(chǎn)力”發(fā)展戰(zhàn)略和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，助力我國在全球新能源技術(shù)競爭中搶占戰(zhàn)略高地。
在電動交通、低空經(jīng)濟(jì)等新興產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式增長的當(dāng)下，傳統(tǒng)鋰電池的續(xù)航焦慮日益凸顯。近日，天津大學(xué)材料學(xué)院教授胡文彬、韓曉鵬團(tuán)隊聯(lián)合西北核技術(shù)研究院研究員、中國工程院院士歐陽曉平，特種化學(xué)電源全國重點實驗室高級工程師郭灝研發(fā)出革命性的“離域化”電解液體系，將金屬鋰電池能量密度提升至600瓦時/公斤，較現(xiàn)有商用電池續(xù)航能力提升3倍。該成果8月13日發(fā)表于國際期刊《自然》，標(biāo)志著我國在全球高能電池賽道實現(xiàn)從跟跑到領(lǐng)跑的關(guān)鍵跨越。
續(xù)航焦慮日益凸顯
“新興產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長，對電池性能提出了前所未有的要求。”胡文彬介紹，電動交通工具需要更長續(xù)航里程。低空經(jīng)濟(jì)中的無人飛行器對輕量化、高能量密度電源需求迫切，綠色儲能領(lǐng)域更是需要高效穩(wěn)定的能量存儲方案。
然而，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)鋰離子電池，已逐漸顯露出“力不從心”的疲態(tài)。目前商用鋰離子電池的能量密度普遍停留在200—300瓦時/公斤，已無法滿足無人機(jī)、高端電動車等場景對電池長續(xù)航、輕量化的需求。
以低空經(jīng)濟(jì)為例，根據(jù)中國民航局最新數(shù)據(jù)，2023年我國民用無人機(jī)市場規(guī)模已突破1200億元，但無人機(jī)飛行時間普遍局限在30—60分鐘。“電池重量占無人機(jī)重量的30%—40%。能量密度不足直接限制了其作業(yè)半徑和載荷能力。”胡文彬說。同樣，在電動汽車領(lǐng)域，消費者對續(xù)航里程的焦慮仍未消除。盡管主流車型續(xù)航里程已達(dá)500—700公里，但冬季衰減、快充損耗等問題依然突出。
傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度和性能已接近理論極限。相比之下，鋰金屬電池憑借其遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鋰離子電池的理論能量密度，被寄予厚望。胡文彬進(jìn)一步解釋：“鋰金屬的理論比容量是現(xiàn)有石墨負(fù)極的10倍以上。采用鋰金屬作為負(fù)極的電池，理論上能實現(xiàn)能量密度的跨越式提升。”
“這不僅是技術(shù)升級的需要，更是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。”胡文彬認(rèn)為。巨大的技術(shù)潛力與迫切的產(chǎn)業(yè)需求形成的強大合力，推動著全球科研力量加緊攻關(guān)，力求在新一代高能二次鋰電池的研發(fā)上實現(xiàn)關(guān)鍵性突破，為新興產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展注入強勁動力。
新設(shè)計理念突破傳統(tǒng)限制
面對傳統(tǒng)鋰電池的技術(shù)瓶頸，天津大學(xué)聯(lián)合科研團(tuán)隊創(chuàng)新性提出高能二次金屬鋰電池“離域化”電解液設(shè)計理念，突破傳統(tǒng)溶劑化結(jié)構(gòu)的限制。
“傳統(tǒng)鋰電池所使用的電解液配方較為單一。這種高度結(jié)構(gòu)化的體系限制了鋰離子的反應(yīng)行為。”韓曉鵬介紹，傳統(tǒng)電解液依賴單一溶劑主導(dǎo)結(jié)構(gòu)，鋰離子在其中的傳輸與反應(yīng)行為和界面穩(wěn)定性難以精準(zhǔn)調(diào)控，導(dǎo)致電池能量密度、循環(huán)壽命和安全性難以平衡。
為破解這一難題，研究團(tuán)隊依托天津大學(xué)學(xué)科優(yōu)勢，強化材料科學(xué)、電化學(xué)、人工智能、儲能等多學(xué)科交叉融合，構(gòu)建了電解液溶劑和鋰鹽組分高通量篩選平臺，并將先進(jìn)算法與篩選平臺融合，大幅縮短電解液體系研發(fā)周期。同時，團(tuán)隊積極開展國際合作與產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，與新加坡國立大學(xué)、特種化學(xué)電源全國重點實驗室及多家國內(nèi)頭部企業(yè)加強合作，聯(lián)合開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推進(jìn)原始創(chuàng)新與工程化應(yīng)用。
團(tuán)隊的核心創(chuàng)新在于打破了傳統(tǒng)電解液對單一溶劑主導(dǎo)結(jié)構(gòu)的依賴。“通過引入多組分體系，我們構(gòu)建了更加自由、多樣且無序的溶劑化微環(huán)境，顯著提升了電解液的成分多樣性和冗余度。”韓曉鵬解釋，這種設(shè)計為鋰離子在復(fù)雜微觀環(huán)境中的高效傳輸提供了有利條件，并實現(xiàn)了對電極反應(yīng)行為和界面穩(wěn)定性的精準(zhǔn)調(diào)控。
團(tuán)隊結(jié)合多種高分辨光譜技術(shù)與多尺度理論模擬手段，從分子層面深入揭示了“離域化”電解液的作用機(jī)制：它能有效降低鋰離子遷移能壘，同時抑制電極界面副反應(yīng)，提高反應(yīng)可逆性，從而在提升能量密度的同時，保障電池的循環(huán)壽命和安全性。
依托這一關(guān)鍵創(chuàng)新，團(tuán)隊率先在國際上研制出能量密度超過600瓦時/公斤的金屬鋰軟包電芯及超過480瓦時/公斤的模組電池，核心性能指標(biāo)較現(xiàn)有主流鋰離子電池提升2—3倍，為高能電池技術(shù)的實用化邁出了關(guān)鍵一步。
產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速
目前，這項原創(chuàng)性技術(shù)已從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段。研究團(tuán)隊依托天津大學(xué)國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺和貴金屬功能材料全國重點實驗室等國家級科研平臺，積極推進(jìn)科研成果的技術(shù)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用驗證，已建成具備自主知識產(chǎn)權(quán)的高能二次金屬鋰電池中試生產(chǎn)線。
在應(yīng)用場景方面，該技術(shù)已率先在我國三款型號的微型全電無人飛行器上實現(xiàn)實裝應(yīng)用，展現(xiàn)出“一克電池飛一公里”的卓越輕量化續(xù)航能力。“實裝測試顯示，搭載該電池的無人飛行器巡航時間較現(xiàn)有主流電池提升約2.8倍，獲得了整機(jī)單位和用戶單位的一致認(rèn)可。”胡文彬介紹。
值得關(guān)注的是，團(tuán)隊已系統(tǒng)掌握高能二次金屬鋰電池在“電解液—電極—電芯”全鏈條中的關(guān)鍵核心技術(shù)。生產(chǎn)線具備高一致性、高可靠性的批量化制備能力，初步構(gòu)建起面向規(guī)?；a(chǎn)的工程體系，其所需的關(guān)鍵原材料與工藝流程均實現(xiàn)自主可控。
“中試生產(chǎn)線預(yù)計將于今年下半年實現(xiàn)全面投產(chǎn)運行，有望為新一代高能量密度儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用提供堅實支撐。”胡文彬說。
展望未來，該技術(shù)在航空航天、新能源汽車、低空經(jīng)濟(jì)、消費電子、人工智能等多個前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。它不僅能推動飛行器、電動車及高性能電子設(shè)備在輕量化、長續(xù)航等關(guān)鍵方向?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展，還將帶動材料、制造、裝備等上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同升級，支撐綠色能源體系構(gòu)建和智能制造能力提升，服務(wù)國家“雙碳”目標(biāo)、“新質(zhì)生產(chǎn)力”發(fā)展戰(zhàn)略和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，助力我國在全球新能源技術(shù)競爭中搶占戰(zhàn)略高地。
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