近十年来,日本、美国以及欧洲等科技发达国家投入了近百亿美元研制电动车,期望由此缓解越来越严重的能源危机和大气环境污染问题。但是,由于在研制动力电池方面迟迟不能取得进展,电动车的实用化进程也一再被推迟。锂离子二次电池被认为是最有希望的动力电池之一,在多方面的支持下,北京大学新能源材料与技术实验室及中信国安盟固利公司几年来致力于新型动力用锂离子二次电池的研制,最近分别在电池关键材料锰酸锂的合成及动力电池技术研究方面取得了突破性的进展。
具有尖晶石结构的锰酸锂的热稳定性好,耐过充电,大电流充放电性能优越,资源丰富且对环境的不良影响也小。然而,由于难于合成出电化学性能良好的锰酸锂材料,十多年来动力锂电池的研制始终未能取得进展。为了研制出适合电动车的动力锂电池,我们在大量研究工作的基础上,首先发明了一种独特的复合金属氧化物材料合成方法。该方法完全不同于目前常用的固相反应法或溶液方法。用这样的新合成方法,可以简单快速地实现多种反应物质在常温下分子尺寸的混合,在短至几分钟的高温过程中即可合成出电化学性能十分优越的锰酸锂材料。大量的材料电化学性能研究结果表明,所合成的锰酸锂材料不仅具有十分优越的循环充放电稳定性,热稳定性也良好。在此基础上,我们详细地研究了锂电池的机理,认真探讨了锂电池的制作技术方案。电动车对电池的安全性、环境适应性、大电流特性、一致性以及经济性等有着非常特殊的要求。根据动力电池的特点,我们通过对结构与材料在各种条件下所得到的实验结果全面进行了分析和评价,由此而研制出了安全性能好,循环充放电性能十分优越的以锰酸锂为正极材料的大容量新型锂离子二次电池。
2004年10月,由法国的米其林公司在上海主持举办了的国际清洁能源车“必比登”挑战赛。搭载了我们研制的动力电池的电动公交车及自己研制的小型电动客车参加了比赛,取得了优异的成绩。该成就与近一年的电动车试运行结果都表明,锰酸锂大容量锂离子二次电池是到目前为止最合适的电动车用动力电池。
动力电池技术的进步无疑将会改变今后社会的进程。近年来,中国已经成为石油进口大国,根据目前的发展速度,今后对进口石油的依赖还会进一步增加,中国的环境与能源问题对全球的影响一直在不断增加。有关报道说全球大气污染最严重的十个城市中有半数以上是在中国。电动车的普及首先会使城市的大气环境污染与噪音有效地得到控制和改善。此外,电动车会明显的节能并减少对石油的依赖,我们的试验数据已经证明利用夜间电力可以使电动公交车的运行成本仅为燃油公交车1/4。国外的一些权威研究资料表明,城市的夜间电力基本上可以满足与相同现行汽车数量电动车的充电需求,而如用电动车取代了目前世界所有的汽车后,不仅会明显缓和能源紧张问题,而且可以使全球二氧化碳的排放量减少10%左右。
由于电动车的零部件比汽车要少,而且简单,电动车的大量生产应该比汽车更便宜。中国的广西和湖南有着丰富的锰资源,现在,如果抓住时机发展有自己资源与技术特色的电动车产业,不仅可以避开发达国家欧3或欧4等标准的限制,而且完全能绕开西方汽车技术发达国家在发动机和传动技术等方面对我们的封锁。
有着中国特色的锰酸锂电池的应用领域和范围还会进一步扩大。安全可靠的电池系统今后会迅速被应用到陆地和海洋以及太空等的移动电源、应急电源、不停电电源以及大规模的储能装置中,而与风力发电和太阳能发电配套的大容量锰酸锂电池系统技术会使未来的能源与资源的综合开发利用达到更加完美的地步。(其鲁)
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