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电池技术何时才能有突破?科学家说:再宽限几年!

国际澳门皇冠网  来源:中科联化研究所  日期:2018-03-02
  全世界都在等待电池领域可以有所突破。几乎电子行业的每一个部分都需要电池,都受到电池的功率输出和能量寿命的限制。
 
  “电池的发展或进步比其他领域慢得多,这是电池本身的局限性。”《电源杂志( Journal of Power Sources)》主编Stefano Passerini说, “你不能指望有能给手机供电一周或一个月的电池。说白了,存储在电池中的最大能量是由固有的元素决定的。”
 
  但这个领域还是有进步的。研究人员正在努力提高锂离子电池的能量密度(电量体积容量比)、价值、安全性、环境影响以及试用寿命,并在设计全新类型的电池。
 
  电池主要应用于三个行业:消费电子,汽车和电网存储。
 
  能源存储研究联合中心(Department of Energy’s Joint Center for Energy Storage Research)研究与开发副主任Venkat Srinivasan说:“我把以上的三个行业称为人们与电池连接的三大领域。每个领域对电池都有不同的要求,因此所使用的电池也可能(有时)大不相同。在你口袋里的手机需要结实、安全的电池,重量和成本倒不用太考虑。而对于汽车电池行业而言,需要的电池很多,因此成本和重量以及循环使用寿命(如果新特斯拉每两年需要更换一次新电池,你会疯的)就变得十分重要。用于存储房屋和电网的电力的电池对重量或尺寸要求则不高。
 
  几十年来,消费电子产品——手机、电脑、相机、平板电脑、无人机甚至是手表 ——都使用了锂离子电池,这是由于锂电池具有易于充电和高能量密度的特点。在这些电池中,填充有锂离子的石墨晶格形成阳极。氧化物形成阴极,连接到相对的端口,且两者由允许离子通过的液体电解质分离开来。当外部端口连接时,锂氧化及锂离子流向阴极。而充电时则情况正好相反。可以以这种方式转移的锂离子越多,电池的功率就越大。撇开其电池寿命和安全性,锂电池的尺寸和易用性亦深受人们喜欢。但Passernini表示锂电池进一步优化的空间有限。
 
  “现在锂电池已经接近极限,”他说,“虽然我们在10年前已经说过同样的话,而过去10年的改进也不小。”
 
  在汽车行业中,电池最终决定了汽车的寿命,也决定了人们对于电动汽车的恐惧和焦虑。为了解决这个问题,工程师和科学家正在尝试将更多的电压容量填充到电池中。但电压容量的减少通常与电池内部的化学反应有关,随着时间的推移发生的化学反应逐渐增多,因而容量也将逐渐减少。大量的研究致力于寻找新的材料和化学品以辅助或替换锂离子晶格或电池的其它部分。
 
  Srinivasan指出了一些潜在的创新,这些创新不仅可以用在汽车上:传统的石墨阳极晶格可以替换为硅,它拥有10倍多的锂离子。但硅在吸收锂离子时会膨胀,所以研究者们需要解决这个问题。亦或者锂金属可以代替晶格充当阳极——但是我们不知道如何防止它在充电时发生短路。 自锂电池在几十年前问世以来,电池制造商一直在努力解决这个问题。“我们非常有希望,如今我们也许可以解决这个有着30年历史的老大难问题”Srinivasan说。
 
  也许锂可以完全被替换。研究人员正在寻找使用钠或镁来代替,能量存储研究联合中心正在使用计算机建模,来研究将特定的氧化物材料作为镁阳极相对应的阴极。镁是非常有优点的,因为其结构允许每个原子接受两个电子,这使得镁可以储存的电荷加倍。
 
  Prashant Jain和他在伊利诺伊大学的合作者正在研究锂电池的另外一个组成部分:电解质。电解质是填充阳离子(带正电的离子)和阴离子(带负电的离子)之间的空间并允许带电粒子流过的流体。很久以前我们就知道,某些固体材料,如硒化铜,也允许离子流动,但不能足够快地运行大功率设备。化学助理教授Jain和他的学生开发了一种由硒化铜纳米颗粒制成的具有不同性质的超离子固体。它允许带电粒子以与在液体电解质中相当的速率流动。
 
  这种技术的潜在好处有两个方面:安全和生命周期。 如果当前的锂离子电池损坏,电池短路并发热,随后液体蒸发,没有任何东西阻止能量的快速释放。固体将防止短路并可以使用全金属阳极,从而提供更大的能量容量。另外,在重复的循环中,液体电解质会溶解阴极和阳极,这是电池最终不能充电的主要原因。
 
  “所有这些渐进的改进实际上已经取得了一些进展。但是一直以来都没有一个震惊四座的突破性发展,固体电解质的传输能力不比液体差,”Jain说,“但是这会带来安全问题,也许在使用固体电解质这一块,我们还需要大开脑洞,一击即中,做出可以完全替代液体电解质的东西。”
 
  最初一代锂电池的共同发明人之一的德克萨斯大学工程荣誉教授约翰·古德诺夫(John Goodenough)正在对固态电解质采取另一个方向的研究,他公布并提交了一种具有玻璃基电解质的电池专利申请。通过用锂或钠浸渍玻璃,Goodenough已经能够使电流更快地流动,同时还可以利用固体阳极来防止短路和增加能量容量。
 
  所有这些研究都将对我们口袋和汽车里的电池有影响。但该电池还有第三种用法,而且其影响是全球性的。
 
  Melanie Sanford在不同类型的电池(巨大的氧化还原液流电池)上使用建模工具,这些电池可以存储可再生能源发电厂的电力,并在风能和澳门皇冠发电不可使用时释放能量。晚上能源生产和消费的高低将帮助可再生能源扩大规模,其不仅仅充当备用电力这样的角色。
 
  南加利福尼亚州的爱迪生已经在使用特斯拉汽车电池试验电池库,但因为电池是传统的基于锂离子的电池,成本太高无法在全球可再生能源层面大规模推广。此外,电网电池的限制与汽车有很大的不同,重量和尺寸不是问题,但价格和生命周期却是需要考虑的问题。
 
  在氧化还原液流电池中,能量储存材料以液体形式保持在大容器中,然后泵送到较小的电池,并与具有相反电荷的类似物发生反应。计算机建模已经允许Sanford的实验室定制设计有机分子,使其容纳量提高了上千倍——这些分子保持稳定的时间从少于一天到几个月。
 
  “电网规模的电源需要的是超便宜的材料,因为我们这里所说的电池是非常大的,”Sanford说, “我们现在所说的是风力发电场以及相应规模的储存电池的仓库。”
 
  据Sanford介绍,创新方向主要是通过材料科学开发可用于电池的新材料,另一方面的创新需要工程师建设使这些材料更高效的系统。两者都是不可或缺的,但从研究到生产的过程必然会是另一个瓶颈。
 
  “每个人都应该意识到,没有一种电池可以适用于所有的场景,”Passerini说, “很明显,即使只是提高10%或者20%的性能就已经非常了不起了。我们必须在这个领域里继续研究,科学家们需要大家的支持。”
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