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零下70℃仍可使用,中國科學家開發出一種“挑戰

2018.03.07 來源:未知

不久前,中國科學家開發出一種可在零下70攝氏度使用的鋰電池,未來有望在地球極寒地區,甚至外太空使用,聽起來真是“吊炸天”。

據研究人員稱,這種新電池使用的材料成本不高,還環保,但要想將其商業化尚有待時日,主要問題是其能量密度太低,還比不上傳統的鋰電池。

那么,電池技術何時才能有革命性的突破?   

傳統鋰電池技術接近瓶頸

“消費電子、汽車和電網存儲是目前電池主要應用的三個行業。我把這三個行業稱為人們與電池連接的三大領域。每個領域對電池都有不同的要求,因此所使用的電池也可能(有時)大不相同。在你口袋里的手機需要結實、安全的電池,重量和成本倒不用太考慮。而對于汽車電池行業而言,需要的電池很多,因此成本和重量以及循環使用壽命(如果新特斯拉每兩年需要更換一次新電池,你會抓狂的)就變得十分重要。用于存儲房屋和電網的電力的電池對重量或尺寸要求則不高。”美國能源存儲研究聯合中心研究與開發副主任溫克特•斯里尼瓦森說。     

幾乎電子行業的每一個部分都需要電池,從而也都受到電池的功率輸出和能量壽命的限制?!兜繚叢又盡分鞅嗨溝俜ㄅ?bull;帕瑟里尼指出,“電池的發展或進步比其他領域慢得多,這是電池本身的局限性,你不能指望有能給手機供電一周或一個月的電池。因為,存儲在電池中的最大能量是由固有的元素決定。”  

 

 

1991年,索尼推出首個商用鋰電池,鋰電池沿用至今被稱為主流的電子設備電池技術。由于鋰離子是最輕的堿金屬元素,擁有著更小、更輕、能量密度更高的特性,所以迅速取代了鎳電池。

在鋰電池的構成物質中,有磷酸鐵、錳、石墨、鈦酸鹽等其他金屬和非金屬材料,但要靠著“鋰離子”這個元素在正、負極中的嵌入與脫出,才可實現電能與化學能的相互轉化,最終完成充放電過程。

然而,鋰電池的技術進步發展緩慢。目前鋰離子電池在能量密度、高低溫特性、倍率性能上,都遠遠高于鉛酸、鎳氫電池,但還是難以滿足快速增長的電子產品、電動汽車等的需求。

近些年來,研究人員努力提高鋰電池的能量密度(電量體積容量比)、價值、安全性、環境影響以及試用壽命,并在設計全新類型的電池。但帕瑟里尼表示,現在傳統鋰電池技術已接近瓶頸,進一步優化的空間有限。

創新思路催生新型電池

目前,科學家正致力于研發儲能更強、壽命更長的新型電池,特別是在不同的領域開發出更為適合的電池,因為沒有一種電池可以適用所有領域。

 

 

在汽車行業中,電池最終決定了汽車的壽命,也決定了人們對于電動汽車的恐懼和焦慮。為了解決這個問題,工程師和科學家正在嘗試將更多的電壓容量填充到電池中。目前,大量的研究致力于尋找新的材料和化學品以輔助或替換鋰離子晶格或電池的其它部分。

例如一些創新的做法,將傳統的石墨陽極晶格可以替換為硅,會擁有10倍多的鋰離子,但硅在吸收鋰離子時會膨脹,所以研究者們需要解決這個問題;將鋰金屬代替晶格充當陽極,但是有可能它在充電時會發生短路。而這是自鋰電池問世二三十年以來,令電池制造商一直頭疼的老大難問題。

也許,鋰可以完全被替換?例如,鈉或鎂,再或其他的物質材料。國外的一家能量存儲研究聯合中心正在使用計算機建模,研究將特定的氧化物材料作為鎂陽極相對應的陰極。鎂是非常有優點的,因為其結構允許每個原子接受兩個電子,這使得鎂可加倍儲存電荷。

還一種思路,琢磨電池的“心臟”——電極/電解液界面。

在所有的環境因素中,溫度對電池的充放電性能影響最大。發表在最新一期美國能源學術期刊《焦耳》上的研究顯示,中國復旦大學化學系、新能源研究院教授夏永姚帶領團隊開發出耐寒新電池,采用凝固點低、可在極端低溫條件下導電的乙酸乙酯作為電解液,并使用兩種有機化合物分別作為電極的陰極和陽極。

夏永姚說:“乙酸乙酯電解液和有機高分子電極讓可充電電池在零下70攝氏度的極低溫條件下工作。”新電池的材料充足、便宜且環保,他預計這種材料的價格只有傳統鋰電池電極材料的約三分之一。

要知道,在俄羅斯和加拿大等極寒地區,溫度低于零下50攝氏度;在太空中,溫度低至零下157攝氏度。而傳統鋰電池在零下20攝氏度時性能只有其最優水平的50%,零下40攝氏度時只有最優水平的12%。

夏永姚對科技日報記者強調,新電池目前還是在實驗室階段,實現產品化面臨的主要挑戰是這種電池的單位質量能量與已商業化的鋰電池尚有差距,生產過程還需優化,但具顯著應用潛力,因此,他的團隊正在努力攻克難題。

對這項研究有網民建議,“特殊要求的專業電池,不要想著一定取代現有鋰電池,完全可以打差異化市場策略,在軍用、工業等特殊環境體現用途。”

使用了石墨烯材料的電池表現出色

既然鋰電池技術遇到瓶頸,人們就想到一些另辟蹊徑的辦法,間接有效解決用戶對續航的需求,而在研究中發現,使用石墨烯材料的電池表現出色。

 

 

華為曾在第57屆日本電池大會上,發布了以“華為能源”之名亮相的使用石墨烯材料的鋰電池,展示出電池快充技術,僅用5分鐘就將一塊3000毫安的電池充到了48%的電量,無疑其效果比高通的Quick Charge技術和OPPO的VOOC閃充技術更為振奮人心。而且,與傳統鋰離子電池相比,該電池具有壽命長、耐高溫等多種優異特性。

據介紹,采用石墨烯材料的電池主要優勢在于其使用壽命和充電速度。經過試驗測試,石墨烯電池2000次充放電衰減率15%以內,同比普通鋰電池約40-80%,充電速度5000毫安時的半小時可以充滿,如果電路設計合適,理論上可以5秒以內充滿。

而華為在電解液中加入高溫抗分解添加劑,配合高溫穩定的大單晶正極,大幅提升電池熱穩定性。與此同時,通過利用石墨烯高效散熱的特點,同等工況下電池溫度降低5℃。   

目前,隨著電子產品的便攜化發展,電池也朝小型、輕薄同時兼具高比能量的方向發展;而對于在電動汽車中的應用,高的體積比能量也意味著一定容積的電池可以裝填更多的活性物質。因此在實際應用當中,比之質量比能量,體積比能量很多時候更加重要。

1月26日,《自然•通訊》在線發表了天津大學化工學院楊全紅教授團隊的研究工作,在石墨烯的致密組裝中,巧妙應用類似變形金剛的“硫模板”,實現了包裹活性物質的碳籠尺寸和形狀的精確設計,從而大幅提高鋰離子電池體積能量密度,使其變得“更小”成為可能。

“需要指出的是有稱‘石墨烯電池’的說法,不科學、不嚴謹。比較客觀的說法,應該是‘使用了石墨烯材料的電池’,石墨烯是一種‘至柔至薄’的碳材料,通過石墨烯的添加或者輔助,可能會達到傳統碳材料或者傳統技術難于達到的某些功能,而有些時候電池性能很小幅度的提高對于實際應用而言都是非常重要的。”楊全紅對科技日報記者說。

而“使用了石墨烯材料的電池”其本身還是鋰電池或者其他介質電池,石墨烯本身不能存儲電能,主要作用是把電池的兩極材料分開,電子可以非常輕易穿過,使得電池的內阻非常小,也就是為啥其充電速度快的原因。

從目前科研成果來看,采用石墨烯材料的電池的表現比鋰電池要好很多,特別是在電池的動力特性、電容量、壽命等方面。然而,中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟秘書長李義春對科技日報記者說,“目前有關石墨烯材料的電池的技術研究大多處于實驗室階段,尚未達到實用化,離大批量生產還有很長的路要走。”

超級電容技術值得期待

據國外媒體報道,英國兩所大學研究人員發現一種新型超級電容器材料,不僅能將充電時間縮短至10分鐘以內,還可將能量密度提高到180Wh/kg,高于目前鋰電池普遍的100-120Wh/kg。

今年1月,南京理工大學格萊特納米科技研究所夏暉教授課題組也發現了一種可讓超級電容器的電容量提高5-10倍的新材料。

 

 

相比傳統的化學電池,以大容量、高功率、長壽命、成本低廉和環保等優越性能著稱的超級電容器,具有非常大的應用前景。隨著技術不斷發展,推動其應用范圍從最初的電子設備領域擴展到動力、儲能領域。    

據介紹,超級電容器之所以稱之為“超級”的原因,在于其是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源,主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發生化學反應,這種儲能過程是可逆的,也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。其在分離出的電荷中存儲能量,用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集,其電容量越大。由此,龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得它較傳統電容器而言,有驚人大的靜電容量。

應用在軌道車輛制動時,超級電容器可將回收制動能量存儲,當車輛再加速時,可將這些能量釋放出來,節省30%的能量。同時,每輛車用兩個系統,單個系統功率提升至300kw。國外混合動力轎車使用超級電容技術已有先例。其能在短時間內提供和吸收大的功率,而且能量回收效率高、充放電次數高、循環壽命長、工作溫度區域寬;其使用的基礎材料價格也很便宜,適合頻繁加速和減速的城市交通狀況。

有的科學家稱,電池技術可說是一種“混沌的藝術”。它之所以發展得那么慢,很大程度上是因為幾乎每一點微小的進步或改變,都需要經過大量的實驗和測試,以保證安全和穩定。即使是發現了對于提升能量密度很有幫助的材料,都不能保證它真的能用。

所以,電池技術的突破正在路上,請耐心等待。

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