有的科学家称,电池技术可说是一种“混沌的艺术”。它之所以发展得那么慢,很大程度上是因为几乎每一点微小的进步或改变,都需要经过大量的实验和测试,以保证安全和稳定。

传统锂电池技术接近瓶颈 电池技术突破指日可待

不久前,中国科学家开发出一种可在零下70摄氏度使用的锂电池,未来有望在地球极寒地区,甚至外太空使用,听起来真是“吊炸天”。

据研究人员称,这种新电池使用的材料成本不高,还环保,但要想将其商业化尚有待时日,主要问题是其能量密度太低,还比不上传统的锂电池。那么,电池技术何时才能有革命性的突破?

传统锂电池技术接近瓶颈

“消费电子、汽车和电网存储是目前电池主要应用的三个行业。我把这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,你会抓狂的)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。”美国能源存储研究联合中心研究与开发副主任温克特·斯里尼瓦森说。

几乎电子行业的每一个部分都需要电池,从而也都受到电池的功率输出和能量寿命的限制。《电源杂志》主编斯蒂法诺·帕瑟里尼指出,“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,你不能指望有能给手机供电一周或一个月的电池。因为,存储在电池中的最大能量是由固有的元素决定。”

1991年,索尼推出首个商用锂电池,锂电池沿用至今被称为主流的电子设备电池技术。由于锂离子是最轻的碱金属元素,拥有着更小、更轻、能量密度更高的特性,所以迅速取代了镍电池。

在锂电池的构成物质中,有磷酸铁、锰、石墨、钛酸盐等其他金属和非金属材料,但要靠着“锂离子”这个元素在正、负极中的嵌入与脱出,才可实现电能与化学能的相互转化,最终完成充放电过程。

然而,锂电池的技术进步发展缓慢。目前锂离子电池在能量密度、高低温特性、倍率性能上,都远远高于铅酸、镍氢电池,但还是难以满足快速增长的电子产品、电动汽车等的需求。

近些年来,研究人员努力提高锂电池的能量密度(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。但帕瑟里尼表示,现在传统锂电池技术已接近瓶颈,进一步优化的空间有限。

创新思路催生新型电池

目前,科学家正致力于研发储能更强、寿命更长的新型电池,特别是在不同的领域开发出更为适合的电池,因为没有一种电池可以适用所有领域。

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。目前,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。

例如一些创新的做法,将传统的石墨阳极晶格可以替换为硅,会拥有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;将锂金属代替晶格充当阳极,但是有可能它在充电时会发生短路。而这是自锂电池问世二三十年以来,令电池制造商一直头疼的老大难问题。

也许,锂可以完全被替换?例如,钠或镁,再或其他的物质材料。国外的一家能量存储研究联合中心正在使用计算机建模,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,这使得镁可加倍储存电荷。

还一种思路,琢磨电池的“心脏”——电极/电解液界面。

在所有的环境因素中,温度对电池的充放电性能影响最大。发表在最新一期美国能源学术期刊《焦耳》上的研究显示,中国复旦大学化学系、新能源研究院教授夏永姚带领团队开发出耐寒新电池,采用凝固点低、可在极端低温条件下导电的乙酸乙酯作为电解液,并使用两种有机化合物分别作为电极的阴极和阳极。

夏永姚说:“乙酸乙酯电解液和有机高分子电极让可充电电池在零下70摄氏度的极低温条件下工作。”新电池的材料充足、便宜且环保,他预计这种材料的价格只有传统锂电池电极材料的约三分之一。

要知道,在俄罗斯和加拿大等极寒地区,温度低于零下50摄氏度;在太空中,温度低至零下157摄氏度。而传统锂电池在零下20摄氏度时性能只有其最优水平的50%,零下40摄氏度时只有最优水平的12%。

夏永姚对科技日报记者强调,新电池目前还是在实验室阶段,实现产品化面临的主要挑战是这种电池的单位质量能量与已商业化的锂电池尚有差距,生产过程还需优化,但具显着应用潜力,因此,他的团队正在努力攻克难题。

对这项研究有网民建议,“特殊要求的专业电池,不要想着一定取代现有锂电池,完全可以打差异化市场策略,在军用、工业等特殊环境体现用途。”

使用石墨烯材料的电池表现出色

既然锂电池技术遇到瓶颈,人们就想到一些另辟蹊径的办法,间接有效解决用户对续航的需求,而在研究中发现,使用石墨烯材料的电池表现出色。

华为曾在第57届日本电池大会上,发布了以“华为能源”之名亮相的使用石墨烯材料的锂电池,展示出电池快充技术,仅用5分钟就将一块3000毫安的电池充到了48%的电量,无疑其效果比高通的Quick Charge技术和OPPO的VOOC闪充技术更为振奋人心。而且,与传统锂离子电池相比,该电池具有寿命长、耐高温等多种优异特性。

据介绍,采用石墨烯材料的电池主要优势在于其使用寿命和充电速度。经过试验测试,石墨烯电池2000次充放电衰减率15%以内,同比普通锂电池约40-80%,充电速度5000毫安时的半小时可以充满,如果电路设计合适,理论上可以5秒以内充满。而华为在电解液中加入高温抗分解添加剂,配合高温稳定的大单晶正极,大幅提升电池热稳定性。与此同时,通过利用石墨烯高效散热的特点,同等工况下电池温度降低5℃。

目前,随着电子产品的便携化发展,电池也朝小型、轻薄同时兼具高比能量的方向发展;而对于在电动汽车中的应用,高的体积比能量也意味着一定容积的电池可以装填更多的活性物质。因此在实际应用当中,比之质量比能量,体积比能量很多时候更加重要。

1月26日,《自然·通讯》在线发表了天津大学化工学院杨全红教授团队的研究工作,在石墨烯的致密组装中,巧妙应用类似变形金刚的“硫模板”,实现了包裹活性物质的碳笼尺寸和形状的精确设计,从而大幅提高锂离子电池体积能量密度,使其变得“更小”成为可能。

“需要指出的是有称‘石墨烯电池’的说法,不科学、不严谨。比较客观的说法,应该是‘使用了石墨烯材料的电池’,石墨烯是一种‘至柔至薄’的碳材料,通过石墨烯的添加或者辅助,可能会达到传统碳材料或者传统技术难于达到的某些功能,而有些时候电池性能很小幅度的提高对于实际应用而言都是非常重要的。”杨全红对科技日报记者说。

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