Chem. Rev.: 下一代用于电动汽车和电网脱碳的“超越锂离子”电池

雨辰

2020-12-25

锂离子电池（LIB）在性能和成本上的巨大进步使其成为电能存储技术的首选。尽管锂离子电池的既定电池化学性质和电池体系结构可实现良好的功率和能量密度，但LIB不太可能满足储能所需的所有性能，成本和规模目标，特别是在电气化运输和电网等大规模应用中。进一步降低成本和/或增加能量密度的需求，以及对锂离子自然资源需求的日益关注，加速了对所谓“超越锂离子”技术的研究。

有鉴于此，加利福尼亚大学伯克利分校Gerbrand Ceder和Kristin Persson等人，讨论了四种重要的“超越锂离子”技术的最新成就，挑战和机遇：钠离子电池，钾离子电池，全固态电池和多价电池。

本文要点

1）针对每种技术详细讨论了挑战背后的基础科学，以及实现低成本和/或高能量密度未来目标的潜在解决方案。虽然在不久的将来，任何特定的新技术都不太可能完全取代锂离子电池，但“超越锂离子”技术应被视为储能设备发展为中大型应用的机会。

2）自1970年代初发明LIBs并于1992年由索尼公司商业化以来，LIBs在能量密度、循环寿命、功率、成本和安全性方面都得到了极大的改善，这使得LIBs在包括个人电子产品和电动汽车(EVs)在内的各种应用中取得了巨大的成功。但是，当前的商用LIB不可能满足储能所需的所有性能，成本和能量存储所需的扩展目标。为了使电动汽车达到500 km以上的行驶距离，在电池模块级别需要500 Wh L^-1的能量密度（在电池级别需要750 Wh L^-1的能量密度）。此外，目前商用LIB的价格比固定式应用的目标成本高5-10倍。

3）固定电池的要求与电动汽车中使用的动力电池完全不同。长循环寿命（大于8000个完整循环周期），低成本和高能效（在系统级别上大于90％）是要考虑的最重要参数。依靠自然丰富的钠和钾资源的NIB和KIB可能在固定应用（例如电网）的成本方面提供显着的优势。例如，许多含钒的聚阴离子阴极（例如，NVPF和KVPF）提供可接受的能量密度以及良好的循环稳定性和速率性能。

参考文献：

Yaosen Tian et al. Promises and Challenges of Next-Generation “Beyond Li-ion” Batteries for Electric Vehicles and Grid Decarbonization. Chem. Rev., 2020.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00767

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00767