鉅大LARGE | 點擊量：834次 | 2020年11月27日
鋰電池是否能被超越？
任何便攜式設備都需要一個電池。沒有電池科技，我們將不會有手機、手提電腦或者其他消費電子產(chǎn)品。對于鋰電池來說尤其如此。
自從上世紀80年代以來，電池研究已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。1980年代世界出現(xiàn)了第一代鋰金屬電池，在今天看來出現(xiàn)了復蘇的可能。在1991年，日本的索尼公司首次推出了鋰離子電池作為音樂播放器的電池，也許他們也沒有想到這會對世界產(chǎn)生如此巨大的影響。然而，現(xiàn)在出現(xiàn)了另外一個趨勢，即讓電池科技和電網(wǎng)相聯(lián)系起來。為了讓電動汽車和電網(wǎng)正常運行，我們就需要更大電池。研究人員也正在努力實現(xiàn)去鋰離子化，從而使電池達到一個新的高峰。
亞洲在鋰離子電池發(fā)展的霸主地位
1991年，自從索尼使用第一款商用鋰離子電池后，世界開始發(fā)生變化。在90年代，日本鋰離子電池設施類似于半導體晶圓廠。“電池發(fā)展開始從黑暗走向光明?！盨tevenVisco說。趕上了第一代鋰離子電池發(fā)展的時機，亞洲公司尤其是日本公司開始大力發(fā)展鋰離子電池相關的研究和專利。
當傳統(tǒng)電池制造商還著眼于一次性電池的發(fā)展時，鋰離子電池的問世可以說是當頭棒喝，給了美國市場非常大的震撼。經(jīng)過短暫的醒悟后，三家大型電池公司——金霸王，雷特威和勁量試圖進入鋰離子電池行業(yè)，但是以失敗告終。
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-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
繼日本之后，韓國也開始發(fā)展鋰離子技術，之后是中國，而美國在這方面則遠遠落后了。“現(xiàn)在電池行業(yè)又迎來了變革的時刻，對于美國來說可以說是千載難逢的時機?！币虼嗣绹苍谶@方面投入了大量的科研經(jīng)費，以期能夠趕上亞洲公司。得益于這筆資金，許多電池制造商紛紛崛起，尤其是在硅谷。
專注于鋰離子電池
對于電池技術方面的資助資金高達3.25億美元，作為FY16預算的一部分。其中的一部分會進行鋰離子電池相關研究，期望能夠獲得更好的電池標準?！澳壳暗内厔菔侵苽涓玫匿囯x子電池電極?！盙eorgeCrabtree說。
目前鋰離子電池的標準電極是二氧化鈷。然而，為了制備下一代鋰離子電池，研究人員必須以二氧化鈷電極為基礎，摻雜其他元素來提高其性能。而該研究的重點是電壓。由鈷、鎳和二氧化錳材料組成的電極可以具有更好的性能。“鋰離子電池的電壓為4.5V，但是如果你可以增加電池的電壓，例如增加到4.8V，那么你就可以增加電能密度?！盋rabtree說。
由于鋰離子電池已經(jīng)存在了超過25年，因此研究人員已經(jīng)對其非常了解，鋰離子電池中使用的材料也非常標準和成熟。鋰離子電池中使用的陽極材料是石墨，而陰極材料則是氧化鈷或者二氧化鈷。近年來我們也經(jīng)常聽到由于鋰離子電池中電解質(zhì)的原因，會使得電池著火。
目前越來越多的電動汽車走上了馬路，而在鋰離子電池中則具有很多液態(tài)的電解質(zhì)，而且這些電解質(zhì)非常易燃。目前對于鋰離子電池的一大擔心則是，隨著能量密度的增加，電池的安全性問題也會成為一大問題。我們面臨著很多的安全性方面的挑戰(zhàn)，但是我們可以通過電池設計等方面來加以避免。在電池中設置一個管理系統(tǒng)，可以對其進行監(jiān)測。一旦出現(xiàn)問題，可以將電池關閉。
在陽極材料方面，碳是一種相對較重的材料，而且隨著電池尺寸的要求越來越微小，研究人員傾向于選擇其他材料作為電池陽極。當談到離子液態(tài)的電解質(zhì)在常溫下具有很高的鋰離子導電性，且不易燃、不易失。鋰金屬電池具有非常高的能量密度，遠高于現(xiàn)在的鋰離子電池。這樣的電池可以有效減少制作成本。
超越鋰離子電池
隨著全世界電網(wǎng)和電動汽車的發(fā)展趨勢，超越鋰離子電池的技術成為了競相追逐的對象，而這從能源部汽車技術辦公室投資1.25億美元用于相關領域就能看得出來。其中5400萬美元和電池科技新材料相關。
和鋰離子電池不同的是，研究人員需要考慮用于三種不同部分的材料：陽極、陰極和電解質(zhì)。鋰—空氣電池是一個很好的例子。這種電池儲存的電量是傳統(tǒng)鋰離子電池的數(shù)倍，而這對于汽車等來說已經(jīng)足夠了。
PolyPlu電池公司在2000年左右發(fā)明了水穩(wěn)鋰電極，在鋰金屬電極附近形成一種陶瓷電解質(zhì)，從而可以保護電極免受外部環(huán)境的影響。在這個發(fā)現(xiàn)的基礎上，該公司申請了發(fā)明專利，并且進一步開發(fā)了水基鋰—空氣電池。目前PolyPlus公司正在著手開發(fā)一種鋰硫水溶液電池，其能力可達到600Wh/l和400Wh/kg。
空氣電池類似的另一類電池就是鋰—硫電池。然而，鋰—硫電池面臨的最大挑戰(zhàn)就是硫，且如何使得其表現(xiàn)為絕緣材料。當硫和鋰接觸時，會形成復合物Li2S，也是一種絕緣體。這意味著該反應很難逆向進行，從而使得其很難對電池進行充電。
對于這個問題，人們提出了很多的解決方案。其中的一種方法就是，通過將Li2S的尺寸降低到納米級別來減小其影響。當電極的尺寸降低到納米級別時，即使是絕緣體也有可能導電，從而使得反應可以逆向進行。
談到液流電池，研究人員將晶體電極換成了液體?！靶碌牟牧嫌袝r可以兩次改變釩氧化態(tài)，而一些有機材料則可能多次改變它們的氧化態(tài)。因此，從原則上來說，一些新材料比釩更好?！盋rabtree.說。該種技術的另一個優(yōu)勢就是，由于選用的材料是有機材料，因此更加便宜。
儲能研究聯(lián)合中心的研究人員目前為液態(tài)電池開辟了新的方向，通過這種改進，研究人員可以更好地控制聚合物或者單個分子。另一項創(chuàng)新則是在聚合物之間構建了聯(lián)系，從而獲得的材料比單個分子更大。該方法的優(yōu)點是，研究人員可以借此用多孔膜過濾掉活性物質(zhì)，且價格非常低廉。
超越鋰離子電池技術的另一個方向則是使用鎂，因為鎂有兩個電荷，而鋰離子只有一個。但是每一次鎂離子在陰極和陽極之間進行來回運動時，可以帶有兩個電荷，且其要求的陽極、陰極和電解質(zhì)材料都不一樣，因此，研究人員需要尋找三種新材料。該儲能研究聯(lián)合中心的研究人員最近發(fā)現(xiàn)了可以和鎂電極互相匹配工作的電解質(zhì)。但是這也仍然是在非常早期的研究階段，還不能滿足商業(yè)化的要求，但是具有非常大的研究價值。
暢想未來
對于電池技術來說，另一項革命即將要到來，就像1991年的一樣，沒有人可以預測到這場革命對人們的生活將到來什么樣的影響。當市面上電動車的部署達到50%時，新的革命就將要開始了。目前雖然市場份額只有2%到3%，但是前景非常明朗。就像半導體革命開始的時候那樣，有很多的進步會發(fā)生，這對于電池的發(fā)展和商業(yè)化非常重要。對于全球來說，新一輪的競賽已經(jīng)開始，美國也有實力與亞洲公司一較高下。
