鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1423次 | 2018年05月24日
電池新技術(shù)何時(shí)才能有更大的突破
電池可以說是我們生活中的必需品,電子產(chǎn)品如手機(jī)、電腦等均離不開電池。因此電池領(lǐng)域的發(fā)展也十分受人們的關(guān)注,科學(xué)家們也正致力于研發(fā)儲(chǔ)能更強(qiáng)、壽命更長的新型電池。在不同的領(lǐng)域,科學(xué)家們都在開發(fā)更適合于這個(gè)領(lǐng)域的電池,因?yàn)椴]有一種電池可以適合所有領(lǐng)域。
全世界都在等待電池領(lǐng)域可以有所突破。幾乎電子行業(yè)的每一個(gè)部分都需要電池,都受到電池的功率輸出和能量壽命的限制。
“電池的發(fā)展或進(jìn)步比其他領(lǐng)域慢得多,這是電池本身的局限性?!薄峨娫措s志(JournalofPowerSources)》主編StefanoPasserini說,“你不能指望有能給手機(jī)供電一周或一個(gè)月的電池。說白了,存儲(chǔ)在電池中的最大能量是由固有的元素決定的?!?br/>
但這個(gè)領(lǐng)域還是有進(jìn)步的。研究人員正在努力提高鋰離子電池的能量密度(電量體積容量比)、價(jià)值、安全性、環(huán)境影響以及試用壽命,并在設(shè)計(jì)全新類型的電池。
電池主要應(yīng)用于三個(gè)行業(yè):消費(fèi)電子,汽車和電網(wǎng)存儲(chǔ)。
能源存儲(chǔ)研究聯(lián)合中心(DepartmentofEnergy’sJointCenterforEnergyStorageResearch)研究與開發(fā)副主任VenkatSrinivasan說:“我把以上的三個(gè)行業(yè)稱為人們與電池連接的三大領(lǐng)域。每個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄姵囟加胁煌囊螅虼怂褂玫碾姵匾部赡埽ㄓ袝r(shí))大不相同。在你口袋里的手機(jī)需要結(jié)實(shí)、安全的電池,重量和成本倒不用太考慮。而對(duì)于汽車電池行業(yè)而言,需要的電池很多,因此成本和重量以及循環(huán)使用壽命(如果新特斯拉每兩年需要更換一次新電池,你會(huì)瘋的)就變得十分重要。用于存儲(chǔ)房屋和電網(wǎng)的電力的電池對(duì)重量或尺寸要求則不高。
幾十年來,消費(fèi)電子產(chǎn)品——手機(jī)、電腦、相機(jī)、平板電腦、無人機(jī)甚至是手表——都使用了鋰離子電池,這是由于鋰電池具有易于充電和高能量密度的特點(diǎn)。在這些電池中,填充有鋰離子的石墨晶格形成陽極。氧化物形成陰極,連接到相對(duì)的端口,且兩者由允許離子通過的液體電解質(zhì)分離開來。當(dāng)外部端口連接時(shí),鋰氧化及鋰離子流向陰極。而充電時(shí)則情況正好相反??梢砸赃@種方式轉(zhuǎn)移的鋰離子越多,電池的功率就越大。撇開其電池壽命和安全性,鋰電池的尺寸和易用性亦深受人們喜歡。但Passernini表示鋰電池進(jìn)一步優(yōu)化的空間有限。
“現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)接近極限,”他說,“雖然我們?cè)?0年前已經(jīng)說過同樣的話,而過去10年的改進(jìn)也不小。”
在汽車行業(yè)中,電池最終決定了汽車的壽命,也決定了人們對(duì)于電動(dòng)汽車的恐懼和焦慮。為了解決這個(gè)問題,工程師和科學(xué)家正在嘗試將更多的電壓容量填充到電池中。但電壓容量的減少通常與電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)有關(guān),隨著時(shí)間的推移發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)逐漸增多,因而容量也將逐漸減少。大量的研究致力于尋找新的材料和化學(xué)品以輔助或替換鋰離子晶格或電池的其它部分。
Srinivasan指出了一些潛在的創(chuàng)新,這些創(chuàng)新不僅可以用在汽車上:傳統(tǒng)的石墨陽極晶格可以替換為硅,它擁有10倍多的鋰離子。但硅在吸收鋰離子時(shí)會(huì)膨脹,所以研究者們需要解決這個(gè)問題。亦或者鋰金屬可以代替晶格充當(dāng)陽極——但是我們不知道如何防止它在充電時(shí)發(fā)生短路。自鋰電池在幾十年前問世以來,電池制造商一直在努力解決這個(gè)問題?!拔覀兎浅S邢M缃裎覀円苍S可以解決這個(gè)有著30年歷史的老大難問題”Srinivasan說。
也許鋰可以完全被替換。研究人員正在尋找使用鈉或鎂來代替,能量存儲(chǔ)研究聯(lián)合中心正在使用計(jì)算機(jī)建模,來研究將特定的氧化物材料作為鎂陽極相對(duì)應(yīng)的陰極。鎂是非常有優(yōu)點(diǎn)的,因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)允許每個(gè)原子接受兩個(gè)電子,這使得鎂可以儲(chǔ)存的電荷加倍。
PrashantJain和他在伊利諾伊大學(xué)的合作者正在研究鋰電池的另外一個(gè)組成部分:電解質(zhì)。電解質(zhì)是填充陽離子(帶正電的離子)和陰離子(帶負(fù)電的離子)之間的空間并允許帶電粒子流過的流體。很久以前我們就知道,某些固體材料,如硒化銅,也允許離子流動(dòng),但不能足夠快地運(yùn)行大功率設(shè)備?;瘜W(xué)助理教授Jain和他的學(xué)生開發(fā)了一種由硒化銅納米顆粒制成的具有不同性質(zhì)的超離子固體。它允許帶電粒子以與在液體電解質(zhì)中相當(dāng)?shù)乃俾柿鲃?dòng)。
這種技術(shù)的潛在好處有兩個(gè)方面:安全和生命周期。如果當(dāng)前的鋰離子電池?fù)p壞,電池短路并發(fā)熱,隨后液體蒸發(fā),沒有任何東西阻止能量的快速釋放。固體將防止短路并可以使用全金屬陽極,從而提供更大的能量容量。另外,在重復(fù)的循環(huán)中,液體電解質(zhì)會(huì)溶解陰極和陽極,這是電池最終不能充電的主要原因。
“所有這些漸進(jìn)的改進(jìn)實(shí)際上已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。但是一直以來都沒有一個(gè)震驚四座的突破性發(fā)展,固體電解質(zhì)的傳輸能力不比液體差,”Jain說,“但是這會(huì)帶來安全問題,也許在使用固體電解質(zhì)這一塊,我們還需要大開腦洞,一擊即中,做出可以完全替代液體電解質(zhì)的東西?!?br/>
最初一代鋰電池的共同發(fā)明人之一的德克薩斯大學(xué)工程榮譽(yù)教授約翰·古德諾夫(JohnGoodenough)正在對(duì)固態(tài)電解質(zhì)采取另一個(gè)方向的研究,他公布并提交了一種具有玻璃基電解質(zhì)的電池專利申請(qǐng)。通過用鋰或鈉浸漬玻璃,Goodenough已經(jīng)能夠使電流更快地流動(dòng),同時(shí)還可以利用固體陽極來防止短路和增加能量容量。
所有這些研究都將對(duì)我們口袋和汽車?yán)锏碾姵赜杏绊憽5撾姵剡€有第三種用法,而且其影響是全球性的。
MelanieSanford在不同類型的電池(巨大的氧化還原液流電池)上使用建模工具,這些電池可以存儲(chǔ)可再生能源發(fā)電廠的電力,并在風(fēng)能和太陽能發(fā)電不可使用時(shí)釋放能量。晚上能源生產(chǎn)和消費(fèi)的高低將幫助可再生能源擴(kuò)大規(guī)模,其不僅僅充當(dāng)備用電力這樣的角色。
南加利福尼亞州的愛迪生已經(jīng)在使用特斯拉汽車電池試驗(yàn)電池庫,但因?yàn)殡姵厥莻鹘y(tǒng)的基于鋰離子的電池,成本太高無法在全球可再生能源層面大規(guī)模推廣。此外,電網(wǎng)電池的限制與汽車有很大的不同,重量和尺寸不是問題,但價(jià)格和生命周期卻是需要考慮的問題。
在氧化還原液流電池中,能量儲(chǔ)存材料以液體形式保持在大容器中,然后泵送到較小的電池,并與具有相反電荷的類似物發(fā)生反應(yīng)。計(jì)算機(jī)建模已經(jīng)允許Sanford的實(shí)驗(yàn)室定制設(shè)計(jì)有機(jī)分子,使其容納量提高了上千倍——這些分子保持穩(wěn)定的時(shí)間從少于一天到幾個(gè)月。
“電網(wǎng)規(guī)模的電源需要的是超便宜的材料,因?yàn)槲覀冞@里所說的電池是非常大的,”Sanford說,“我們現(xiàn)在所說的是風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)以及相應(yīng)規(guī)模的儲(chǔ)存電池的倉庫。”
據(jù)Sanford介紹,創(chuàng)新方向主要是通過材料科學(xué)開發(fā)可用于電池的新材料,另一方面的創(chuàng)新需要工程師建設(shè)使這些材料更高效的系統(tǒng)。兩者都是不可或缺的,但從研究到生產(chǎn)的過程必然會(huì)是另一個(gè)瓶頸。
“每個(gè)人都應(yīng)該意識(shí)到,沒有一種電池可以適用于所有的場(chǎng)景,”Passerini說,“很明顯,即使只是提高10%或者20%的性能就已經(jīng)非常了不起了。我們必須在這個(gè)領(lǐng)域里繼續(xù)研究,科學(xué)家們需要大家的支持。”