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鋰電池如何挑戰大容量

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年05月20日  

  我們正在展望一個廣泛利用清潔能源的新時代。作為這個時代的標志性場景之一,人們希望看到滿街跑著的都是類似特斯拉電動車這樣的新型轎車,它不再需要汽油,而是用蓄滿了電的鋰電池驅動。到那時候,遍布道路兩旁的加油站也將會被充電站所取代。最新的消息是,上海市已經宣布對特斯拉電動車實行免牌照上牌政策,并支持他們更快地在中國建設超級充電站。

  然而,當你意識到電動車使用的電池和你手機里裝著的電池并無本質區別,令人歡欣鼓舞的光明遠景可能就要蓋上一朵烏云了。手機黨經常苦惱的就是電池的續航能力。許多人的手機早上充滿,下午見底,一天必須充一次。筆記本電腦同樣有這個問題,幾個小時就可能電量告罄。電動車沒開多遠就“趴窩”,需要頻繁充電,這是它的實用性備受質疑的焦點。特斯拉唯一投放市場的ModelS型電動車,最高配置的車型宣稱一次充滿電后可以行駛480公里,已經是很了不起的成績了。

  為什么電池“不耐用”?在一定的空間里,物質所能儲存能量的大小被稱作“能量密度”。從能量密度的排位來看,電池幾乎墊底。以每千克產生的能量作為指標,我們日常使用的汽油能達到50兆焦耳,而鋰電池的平均水平還不到1兆焦耳。其他類型的電池同樣在極低的水準徘徊。顯然,我們不可能把電池的體積做得無限大;為了提升電池的容量,只能著眼于提高電池的能量密度,但是困難重重。這項技術到底難在哪里?記者就此采訪了浙江大學化學系副教授劉潤,以我們常用的鋰離子電池(簡稱鋰電池)為例,解剖電池內部構造的秘密。

  電解液很重要

  電池之所以能夠提供能量,是因為發生了電子的轉移。在電池接到一個電路里,合上開關,電流就通了。這時,電子就會從負極跑出來,經過電路流到正極。在這個過程中,電子會做功,來支撐你的手機運轉,或者驅動特斯拉電動車。

  鋰電池的電子是由鋰提供的。那么,在電池里裝滿了鋰,能量密度不就上去了嗎?可惜的是,為了讓鋰離子電池具備可充電的功能,它的內部構造必須以犧牲能量密度為代價。劉潤指出,鋰電池的內部構造包括電解液、負極材料、正極材料和隔膜等,每一樣都有其專門的工藝需求,發揮獨特的功能,不可或缺。這種構造限制了鋰電池能量密度的提升。

  首先,是電解液,它是電池里不可缺少的運輸管道。“電池放電的時候,鋰原子失去電子,變成了鋰離子,這時它要從電池的一極跑到另一極去,到了充電的時候再跑回來。”劉潤說。鋰離子在電池兩極的來去構成了鋰電池循環使用的關鍵,而電解液保證了它的旅途自由通暢。電解液就像河水,鋰離子就像魚。如果河床干了,魚到不了對岸,鋰電池就無法正常工作。

  電解液的奇妙之處還在于,它只會運載鋰離子,而不會運載電子,這就確保了電池只有在電路連通的時候才會放電。同時,依賴電解質,鋰離子的運動有序而明確,使電子總是沿著一個方向移動,這樣才形成了電流。

  正負極求穩定

  電解液雖然不提供任何能量,并且占的分量還不小,但是鋰電池里絕少不了它。那么,以石墨為主的負極材料為什么也不能少呢?石墨就是做鉛筆芯的材料,也不負責提供電子。劉潤說,這是為了保證充電的時候不出問題。

  充電時,鋰離子從正極跳入電解液,游回負極,在那里得到電子變成鋰原子聚集起來,準備下一次放電。但是,鋰本身是電子的良好導體,后來的鋰離子可能還沒到達負極,就從已經變身為鋰原子的前輩那里得到了電子。這樣,鋰原子就可能像雜草一樣在電池里面瘋長,并出現晶體。這個過程就叫做“析晶”。野蠻生長的鋰晶體最終會刺穿隔膜,使電池短路報廢。

  為了解決這個麻煩,科學家用石墨制成負極材料,利用其表面的空隙,就像一個個小房間,讓鋰原子安穩地待在里面,彼此不發生作用。這樣一來,鋰原子安分了,但是電池的能量密度就又下降了。

  類似的道理也適用于電池的正極,為了維持電池的穩定有序,正極材料也經過特殊設計,充電的時候不是所有的鋰離子都會游回負極,大約有近一半的鋰離子會留下來,這也削弱了電池的能量密度。

  大容量存挑戰

  客觀地看,鋰電池體積小、分量輕、壽命長、成本低,又安全、又環保,較短的充電時間就能換來較長的使用時間……已經是人類目前找到的極為優質的電池。但是,科學家總是精益求精。劉潤說,改良的關鍵,是尋找更優質的正極和負極材料,來提升電池的能量密度。

  負極材料可能的替代品有鋰硅合金等,其能量密度比石墨高近十倍。找到更穩定的正極材料則顯得更加重要。現在人們主要用的是鈷酸鋰,這種材料很昂貴,而穩定性和能量密度則不盡如人意。科學家正在研究是否有可能用鐵基或錳基的氧化物來代替它。

  在可預見的未來,我們有可能獲得更大容量的電池嗎?科學家還是圍繞鋰來下功夫。因為鋰參與反應的電子比例高,金屬鋰自身的能量密度大。鋰硫電池和鋰空氣電池都存在理論上的可能性,它們是電池,卻可以提供像汽油燃料一樣豐沛的能量。不過,實際的開發推廣仍然面對諸多挑戰。

  看來,對電動車感興趣的你,還是需要暫時接受跑上一陣子就要充電的現實。紐約的科學家最近有一項新發明,把太陽能充電板做成窨井蓋的模樣,讓電動車隨時可以停在路面上充電。對于特斯拉來說,這可是個好消息,不是嗎。

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