最强量子电池诞生:输出功率接近电容

2020-06-01      2322 次浏览

日本MicronicsJapan公司与GualaTechnology公司(总部:神户市)共同开发出了新原理充电电池“battenice”的量产技术。这种电池不同于化学电池,而属于采用量子技术的物理电池。并且,这种电池的放电特性象化学电池那样可保持一定的电压,而不是象双电层电容器那样电压会随着放电成比例下降。


MicronicsJapan公司认为,battenice可实现1.5V电压,500Wh/L能量密度,8000W/L的输出功率密度,充放电寿命(维持在初期容量的90%以上时)为10万次,工作温度范围-25~+85℃。


这种新型电池是采用由绝缘膜(绝缘性树脂或无机绝缘物)包裹的n型金属氧化物半导体〔如二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)等〕的微粒子作为充电层制成的。在制造过程中,通过在某种条件下向该充电层照射紫外线,n型金属氧化物半导体的带隙(价带与导带之间的宽度)内便可形成很多新的能级。充电时电子进入这些能级,而放电时这些能级中的电子便释放出来,从而起到充电电池的用途。


优缺点鲜明


据MicronicsJapan公司介绍,新型电池具有以下优点:(1)全固体构造,无需担心漏液;(2)因不使用可燃性材料,无需担心过热起火;(3)不使用稀有金属和稀土材料,无需担心资源短缺;(4)不使用环境负荷高的物质,有利于环保;(5)充放电寿命长(加速试验已证实可充放电1万次以上,现正以10万次为目标开发),有利于减少废弃物;(6)输出功率密度与电容器比肩,等等。


那么,这种新型电池能不能取代锂离子充电电池呢?有关这一点目前认为还不能一概而论。因为这种电池每个电极的能量密度比不上高性能锂离子充电电池,并且假如没有技术性突破,能量密度很难大幅提高。毕竟现在的消费类锂离子充电电池,圆柱型电池“18650”的能量密度已超过650Wh/L。而这种新型电池的初期产品目标是500Wh/L;新型电池目前在一块基板上能够形成的充电层限定于薄膜状,并且最多只能形成2层(在基板的两面上形成)。


期待形成新市场


新型电池与锂离子充电电池相比,具有以下几个优点:输出功率密度非常高、无需担心因漏液和过热而起火、无需担心资源枯竭、充放电寿命长等。可以考虑利用这些优点,找到与锂离子充电电池不同的有效用途。因此,希望新型电池不仅可以象原来那样层叠起来做成块状电池使用,还可以利用薄片状的特点,应用于可穿戴设备,以及与薄膜太阳能电池结合起来,作为基板内置电池等柔性薄膜电池使用,以期形成新的市场。


MicronicsJapan公司表示,这种电池可以卷对卷制造。并且,无需化学电池所需的1~2周老化工艺。假如利用这种高量产性,可以量产多种外形尺寸,还可通过在卷上执行串联或并联,应对输出电压多样化的需求。


笔者之前的科普文初步介绍过车用电池和电容的特点差别:


电池储能的功率密度低,过充电、过放电和频繁充放电都会影响寿命,不能迅速转化吸收大量能量,难以满足车辆在制动或起动时的功率需求。因此人们开发了车用超级电容,可以适应瞬间充放电和频繁充放电,循环寿命长,受低温影响小,电量检测方便,而且超级电容器的生产成本每年都在以低于10%的比例减少。


但是超级电容也有能量密度与电池差距较大、容易漏电等缺点,无法长期储存能量,所以也有研究人员在尝试电池电容混合的电力系统,同时兼顾电容充放电迅速和电池能量密度相对较大的优点,用电容进行紧急充放电,用电池长期储存能量,电池和电容分工合作。


虽然battenice电池目前中长期的能量耗损表现还不清楚,但是按照目前资料,这种新型量子电池的性能特点不像化学电池,而是更接近电容。实用化之后也可以与传统电池搭配。battenice功率密度高,能量密度低,而化学电池正相反,优势互补,确实可以同时满足续驶里程和加速性能的要求,但是这关于整车厂的能量分配技术要求较高,这方面的开发相关经验,国内外差距依然很大。


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