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顛覆鋰電王朝的技術(shù)來了？

來源：DeepTech深科技 ? 2021-08-06 13:16:58

上世紀70年代石油危機催生的鋰電池技術(shù)，被視為最偉大的工業(yè)發(fā)明之一。鋰電池作為當今最主要的便攜式能源，影響著人們生活的方方面面，改變了人類的生活方式。如果沒有鋰電池，就不會有如今的便攜或穿戴式設(shè)備、手機、電動汽車、無人旋翼機等等。古迪納夫(John. B. Goodenough)等三位教授，也因就鋰電池的發(fā)明做出了奠基性貢獻而榮獲 2019 年諾貝爾化學獎。

然而鋰電池并非完美。安全隱患、能量密度及充放電速率(功率密度)依然偏低、壽命偏短等，是鋰電池的重大痛點。如現(xiàn)代主流鋰電池的能量密度接近 300Wh/kg，而汽油的能量密度約 13000 Wh/kg，是鋰電池的 40 多倍，且充電比加油的時間又長很多，使電動汽車在續(xù)航里程、便利性等方面較燃油汽車仍有不少差距。因此下一代電能存儲器件的開發(fā)成為業(yè)界競爭的焦點，是否會有一種能使安全性、壽命、能量密度、功率密度等性能全面提升的產(chǎn)品?超級電容器作為潛在技術(shù)路線之一，曾被寄予厚望。美國《探索》雜志 2007 年 1 月號刊，將其列為當時世界七大技術(shù)發(fā)現(xiàn)之一，認為這將是電能儲存領(lǐng)域的一項革命性發(fā)展。

典型電容器具有兩導電極板間夾一層介電質(zhì)材料的三明治結(jié)構(gòu)，與電池的電化學工作原理不同，它是靜電物理儲能器件。當在兩極板間施加電壓充電時，其中一個的表面會積聚正電荷，另一個相應(yīng)積聚起負電荷。與電池類似，電容器經(jīng)外部電路的負載連接兩極板就會產(chǎn)生電流放電。電容器不僅壽命長且功率密度極高，能以比鋰電池大得多的電流快速充放電。其能量密度 D 正比于極板間電壓的平方 V² 和介電質(zhì)材料的相對介電常數(shù) k，即 D∝kV²。因安全性等各種因素制約電壓一般不可太高，能量密度實際上主要取決于介電質(zhì)材料的 k 值?，F(xiàn)有“高k”材料的k值在幾百到幾千(即×10²~10³)，能量密度最高僅為鋰電池的1%左右，這是其重大缺點。而所謂超級電容器，則利用具有超高等效 k 值的先進介電質(zhì)或電解質(zhì)形成雙電層電容，甚至把電化學性質(zhì)的“贗電容”也加持進去，等效 k 值可高達幾萬乃至幾十萬(×10?~10?)， 能量密度最高可為鋰電池的幾分之一乃至相當。但可惜，人們至今尚未見到超級電容器對鋰電池的顛覆性前景。

筆者近期從國家專利局網(wǎng)站了解到，一項名為《復(fù)相鈦酸銣功能陶瓷材料及其制備方法》的授權(quán)中國發(fā)明專利，披露了一類新型巨介電質(zhì)新材料以及基于其的巨電容技術(shù)，讓人看到了電容器儲能應(yīng)用的新曙光。該專利發(fā)明了一類包含被稱為 n-鈦酸銣(Rb?Ti? O????)的復(fù)相鈦酸銣功能陶瓷材料，在電學及電化學等方面具有遠超現(xiàn)有技術(shù)水平的不尋常特性，如常溫下高達 10?級的巨大 k 值伴隨著相對低的介電損耗，以及優(yōu)良的絕緣性伴隨著 10ˉ³S/cm 級的離子電導率等。該類新材料為高能量密度的巨電容器提供了巨介電質(zhì)解決方案，此外在全固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)、記憶存儲單元、電子器件等領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用潛力。

該類巨介電質(zhì)材料的相對介電常數(shù)即 k 值，是現(xiàn)有先進水平介電質(zhì)材料的幾萬到幾十萬倍，按電容器能量密度 D∝kV²的關(guān)系，意味著采用該類巨介電質(zhì)的巨電容器，理論上的能量密度也會提高同樣的倍數(shù)，即達到現(xiàn)有鋰電池的成百上千倍!若巨電容器還沿襲了物理儲能電容器壽命長(為鋰電池的百~千倍)、充放電速率高(為鋰電池的十~千倍) 、全固態(tài)及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，綜合起來，其性能或性價比豈不將遠超鋰電池?顛覆鋰電王朝的技術(shù)真的來了嗎?

帶著疑問和好奇心，筆者通過一些渠道嘗試對該新技術(shù)做了進一步打探。

首先，利用該專利技術(shù)制備的新型固態(tài)功能材料樣品，以及采用該材料制備的一些紐扣式巨電容器樣品，早已送樣至某國家級第三方權(quán)威檢測機構(gòu)進行了專業(yè)檢測，該機構(gòu)所出具的正式檢測報告表明，樣品的比電容量巨大，材料的介電常數(shù)即 k 值，在室溫下確實達到了 10?級的國際領(lǐng)先水平。

此外信息來源還表明，該類巨介電質(zhì)材料及巨電容器的研發(fā)工作在進一步快速推進，旨在于十四五期間實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前的工作已初具如下特征：

① 體積和重量能量密度：器件樣品實測值現(xiàn)已達鋰電池的 5~10 倍或更高;

② 充放電速率： 為正常電容級，即充滿、放完時間均可做到以秒或分鐘計;

③ 循環(huán)壽命： 為正常電容級，充放電循環(huán)以萬次計，確保使用壽命≥10 年;

④ 溫度特性： 適用溫度范圍寬廣，為-50℃～+120℃;

⑤ 安全性： 全固態(tài)器件，不存在易燃易爆物質(zhì);

⑥ 環(huán)保性： 無污染;

⑦ 經(jīng)濟性： 器件成本可控，不高于鋰電池。

結(jié)語：

在下一代電能存儲器件及系統(tǒng)開發(fā)方面，不僅有 LG，三星，寧德時代這樣的電池企業(yè)，豐田、特斯拉、比亞迪這樣的整車企業(yè)，還有各種跨行業(yè)、高科技、初創(chuàng)及投資類的公司紛紛加碼進來。鋰電池從上世紀 70 年代到今天，一路上也曾克服過很多技術(shù)和其他方面的挑戰(zhàn)。而今，各種技術(shù)路線百家爭鳴，可以預(yù)計它們的產(chǎn)業(yè)化路徑不都會一帆風順。未來的儲能器世界，誰能顛覆鋰電王朝?或許答案尚未明了，但基于巨介電質(zhì)的巨電容器展現(xiàn)出的優(yōu)異性能，讓人似乎感受到了一種脫穎而出的巨大動能。

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