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      1. 鋰電池知識

        電池知識

        鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源

        盤點下一代電池技術 鋰離子有未來

        2021-04-09 ryder

        現在幾乎世界上所有的智能手機中使用的都是鋰離子電池,但是惱火的是大部分智能手機的電池在正常使用中只能勉強堅持一天。盡管如此,鋰離子電池已經被應用在了電動汽車當中,儲能電網也正要到來,似乎鋰離子擁有一個光明的未來呢。


        最近最引人的事件之一就是特斯拉汽車公司宣布他們新推出的住宅是powerwall電池的訂單已經持續到了2016年中期,市場需求十分強勁,很快就將達到每年電池容量35千兆瓦小時的生產預期--美國家用電力消耗為每天120萬瓦小時。


        鋰離子電池產品最先是在1990年代由索尼推出的,那時許多人都認為鋰離子電池是可充電電池的一大突破:憑借其更高的工作電壓和更高的能量密度,鋰離子電池擊敗了當時占據主導地位的鎳金屬氫化物電池(鎳氫電池NiMH)。此外,鋰離子電池的使用還促進了便攜式電子設備的發展。假如沒有鋰離子電池,最新的Galaxy智能手機的重量就可能達到現在手機重量的三倍,體積也將是現在的兩倍。


        但是,近來,鋰離子電池開始壓力山大了。在更現代的便攜式設備和電動汽車的續航時間上,鋰離子電池的表現都并不能讓人真正滿意。另外,與汽油動力車輛相比,鋰離子帶來的安全問題也更為嚴重,尤其是有火災的危險。


        這種情況自然帶來了問題:接下來該怎么辦?會有什么新突破來解決這些問題呢?


        更好的鋰化學電池


        在我們回答這些問題之間,我們首先來談論一下電池的內在機制。一個電池單元必須包含由兩個絕緣層分開的電機,通常稱為隔板,該結構通常浸泡在電解液中。兩個電極必須要具有不同的電勢或不同的電動勢,最后兩者之間的電勢差就含義了電池的電壓。電勢較高的電極為正極,另一電極就為負極。


        下一代電池能量密度和功率密度的對應圖表


        在放電過程中,電子通過外接的電路從負極流向正極,而帶電的原子或離子則在電池內部流動,以保持電中性。在可充電電池充電時,這一過程就會倒過來。


        鋰離子電池的能量密度是指單位質量的電池材料能存儲多少能量,近幾年一直在以每年約5%的上升速度穩定上升,在20年的時間里從90Wh/kg上升到了240Wh/kg,而預計這一趨勢還將繼續持續。這是由于電極和電解質化合物和體系結構中的漸進改進和最大充電電壓的新增;最近的便攜式設備電池電壓已經從傳統的4.2V上升到了4.4V。


        要在能量密度的繼續提高上面繼續獲得突破,電極材料和電解質材料都要進一步的改進。其中最大的即將實現的飛躍就是向正極中引入元素硫或空氣,以及使用金屬鋰作為負極。


        實驗室中的進展


        鋰硫電池有望在鋰離子電池的基礎上實現能量密度的倍增,達到400Wh/kg;鋰-空氣電池的能量密度甚至有望達到鋰離子電池的10倍,可達3000Wh/kg。這重要是因為此種電池使用空氣作為一種非板載的反應物,氧氣代替了電極中的元素,所以能極大地減少電池質量。


        鋰-空氣電池使用氧氣來驅動電池中的電化學反應


        鋰硫電池和鋰-空氣電池都在實驗室中得到了深入的研究,但其商業可行性還有待商業可用的原型設計的出現。在硫電極放電時,硫會溶解到電解液中,從而將電池與電路斷開。而且在充電時,鋰的量也會變少,這將嚴重影響到電池整體可逆性。


        為了能將這一技術實用化,我們必須要獲得關鍵的突破:改善正極架構以便更好地保留活性材料或者開發新的電解質,這樣不會將活性材料溶解到其中。


        而鋰-空氣電池也面對著類似的困難,這些問題都是來自于電解液和空氣的反應。另外,在這兩項技術中,鋰電極的保護還是一個有待解決的問題。


        鈉能拯救世界?


        上面提到的幾種電池中,鋰都是電池中的一種關鍵元素。盡管鋰確實是一種很豐富的元素,但是鋰的分布非常分散,采取難度較大,所以鋰還并未實現全球范圍的商業開采。所以目前只有在相對豐富的礦產中才能實現商業開采,目前世界上的大部分鋰都來自于高濃度的鹽湖的鹵水,其中大部分都位于南美洲的安第斯山脈。


        除了相對困難的提取,在美國你到處都能買到6美元一千克的碳酸鋰,而因為一輛電動汽車所要的碳酸鋰也不過3千克,所以到目前為止,鋰的成本還不是一個大問題。


        南美的鹽湖


        鋰離子電池上的最大擔憂是地緣政治上的問題:每一個國家都在尋求能源獨立,從化石燃料過渡到鋰離子電池只是把能源依賴從中東轉移到南美洲而已。


        取代鋰的一個可能的解決方法是使用鈉,畢竟地球上的鈉比鋰要豐富2000倍。


        從電化學的角度來看,鈉和鋰是完全可以相互媲美的,所以鈉也是一個很好的候選者。鈉離子電池的研究近來也屢見報端,目前來看,一旦鈉離子電池實現商業化,性能方面應該可以達到和鋰離子電池相當的水平。


        盡管在成本和性能上,鈉離子電池并沒有什么本質上的提升。但是這卻能給各個國家帶來更大的自主權,讓它們依靠自己的資源生產電池。


        沒有萬能的良方


        不管什么新興技術,在安全問題上都有和鋰離子電池相同的顧慮。電池安全的重要威脅是易燃性溶劑類電解質,但沒有它們,電池的電壓要達到2V都很困難。


        事實上,因為水在高于2V的電壓下會分解稱氫氣和氧氣,所以3V量級的鋰離子電池和鈉電池中使用了昂貴易燃的碳酸酯溶劑來作為電解質。其它的選項包括無溶劑電解質,但卻不能供應足夠好的導電性能,無法應用在高功率的應用中,所以也沒能實現商業化。


        幸運的是,現有的鋰離子電池技術出現意外起火的概率大約為4000萬分之一。盡管風險并不能完全防止,但可以通過工程控制和保留式設計可以盡可能保證不出現事故。


        總之,目前的鋰離子電池供應了相當好的性能。新興的化學電池技術(鋰硫電池和鋰-空氣電池)有徹底改變便攜式能量儲存的應用潛力,但這些技術都還處于實驗室研究階段,未來到底會如何發展還有待檢驗。


        關于電站式的儲能應用(比如用于儲存風能和太陽能),其它類型的電池(如高溫鈉硫電池或氧化還原液流電池)則可能因為可持續性和成本效益上原因成為鋰離子電池的候選項。

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