盤點(diǎn)下一代電池技術(shù) 鋰離子有未來

現(xiàn)在幾乎世界上所有的智能手機(jī)中使用的都是鋰離子電池，但是惱火的是大部分智能手機(jī)的電池在正常使用中只能勉強(qiáng)堅(jiān)持一天。盡管如此，鋰離子電池已經(jīng)被應(yīng)用在了電動(dòng)汽車當(dāng)中，儲(chǔ)能電網(wǎng)也正要到來，似乎鋰離子擁有一個(gè)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(jīng)持續(xù)到了2016年中期，市場(chǎng)需求十分強(qiáng)勁，很快就將達(dá)到每年電池容量35千兆瓦小時(shí)的生產(chǎn)預(yù)期--美國家用電力消耗為每天120萬瓦小時(shí)。

鋰離子電池產(chǎn)品最先是在1990年代由索尼推出的，那時(shí)許多人都認(rèn)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?fù)魯×水?dāng)時(shí)占據(jù)主導(dǎo)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(jìn)了便攜式電子設(shè)備的發(fā)展。如果沒有鋰電池，最新的Galaxy 智能手機(jī)的重量就可能達(dá)到現(xiàn)在手機(jī)重量的三倍，體積也將是現(xiàn)在的兩倍。

但是，近來，鋰離子電池開始“壓力山大”了。在更現(xiàn)代的便攜式設(shè)備和電動(dòng)汽車的續(xù)航時(shí)間上，鋰離子電池的表現(xiàn)都并不能讓人真正滿意。另外，與汽油動(dòng)力車輛相比，鋰離子帶來的安全問題也更為嚴(yán)重，尤其是有火災(zāi)的危險(xiǎn)。

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

更好的鋰化學(xué)電池

在我們回答這些問題之間，我們首先來談?wù)撘幌码姵氐膬?nèi)在機(jī)制。一個(gè)電池單元必須包含由兩個(gè)絕緣層分開的電機(jī)，通常稱為隔板，該結(jié)構(gòu)通常浸泡在電解液中。兩個(gè)電極必須要具有不同的電勢(shì)或不同的電動(dòng)勢(shì)，最后兩者之間的電勢(shì)差就定義了電池的電壓。電勢(shì)較高的電極為正極，另一電極就為負(fù)極。

下一代電池能量密度和功率密度的對(duì)應(yīng)圖表

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

鋰離子電池的能量密度是指單位質(zhì)量的電池材料能存儲(chǔ)多少能量，近幾年一直在以每年約5%的增長(zhǎng)速度穩(wěn)定增長(zhǎng)，在20年的時(shí)間里從90Wh/kg增長(zhǎng)到了240Wh/kg，而預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)還將繼續(xù)持續(xù)。這是由于電極和電解質(zhì)化合物和體系結(jié)構(gòu)中的漸進(jìn)改進(jìn)和最大充電電壓的增加;最近的便攜式設(shè)備電池電壓已經(jīng)從傳統(tǒng)的4.2V增長(zhǎng)到了4.4V。

要在能量密度的繼續(xù)提高上面繼續(xù)獲得突破，電極材料和電解質(zhì)材料都需要進(jìn)一步的改進(jìn)。其中最大的即將實(shí)現(xiàn)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(fù)極。

實(shí)驗(yàn)室中的進(jìn)展

鋰硫電池有望在鋰離子電池的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)能量密度的倍增，達(dá)到400Wh/kg;鋰-空氣電池的能量密度甚至有望達(dá)到鋰離子電池的10倍，可達(dá)3000Wh/kg。這主要是因?yàn)榇朔N電池使用空氣作為一種非板載的反應(yīng)物，氧氣代替了電極中的元素，所以能極大地減少電池質(zhì)量。

鋰-空氣電池使用氧氣來驅(qū)動(dòng)電池中的電化學(xué)反應(yīng)

鋰硫電池和鋰-空氣電池都在實(shí)驗(yàn)室中得到了深入的研究，但其商業(yè)可行性還有待商業(yè)可用的原型設(shè)計(jì)的出現(xiàn)。在硫電極放電時(shí)，硫會(huì)溶解到電解液中，從而將電池與電路斷開。而且在充電時(shí)，鋰的量也會(huì)變少，這將嚴(yán)重影響到電池整體可逆性。

為了能將這一技術(shù)實(shí)用化，我們必須要獲得關(guān)鍵的突破：改善正極架構(gòu)以便更好地保留活性材料或者開發(fā)新的電解質(zhì)，這樣不會(huì)將活性材料溶解到其中。

而鋰-空氣電池也面臨著類似的困難，這些問題都是來自于電解液和空氣的反應(yīng)。另外，在這兩項(xiàng)技術(shù)中，鋰電極的保護(hù)還是一個(gè)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(guān)鍵元素。盡管鋰確實(shí)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(shí)現(xiàn)全球范圍的商業(yè)開采。所以目前只有在相對(duì)豐富的礦產(chǎn)中才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)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(duì)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?yàn)橐惠v電動(dòng)汽車所需要的碳酸鋰也不過3千克，所以到目前為止，鋰的成本還不是一個(gè)大問題。

南美的鹽湖

鋰電池上的最大擔(dān)憂是地緣政治上的問題：每一個(gè)國家都在尋求能源獨(dú)立，從化石燃料過渡到鋰電池只是把能源依賴從中東轉(zhuǎn)移到南美洲而已。

取代鋰的一個(gè)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(xué)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(gè)很好的候選者。鈉離子電池的研究近來也屢見報(bào)端，目前來看，一旦鈉離子電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，性能方面應(yīng)該可以達(dá)到和鋰離子電池相當(dāng)?shù)乃健?/p>

盡管在成本和性能上，鈉離子電池并沒有什么本質(zhì)上的提升。但是這卻能給各個(gè)國家?guī)砀蟮淖灾鳈?quán)，讓它們依靠自己的資源生產(chǎn)電池。

沒有萬能的良方

不管什么新興技術(shù)，在安全問題上都有和鋰離子電池一樣的顧慮。電池安全的主要威脅是易燃性溶劑類電解質(zhì)，但沒有它們，電池的電壓要達(dá)到2V都很困難。

事實(shí)上，因?yàn)樗诟哂?V的電壓下會(huì)分解稱氫氣和氧氣，所以3V量級(jí)的鋰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(zhì)。其它的選項(xiàng)包括無溶劑電解質(zhì)，但卻不能提供足夠好的導(dǎo)電性能，無法應(yīng)用在高功率的應(yīng)用中，所以也沒能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

幸運(yùn)的是，現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)出現(xiàn)意外起火的概率大約為4000萬分之一。盡管風(fēng)險(xiǎn)并不能完全避免，但可以通過工程控制和保留式設(shè)計(jì)可以盡可能保證不出現(xiàn)事故。

總之，目前的鋰離子電池提供了相當(dāng)好的性能。新興的化學(xué)電池技術(shù)(鋰硫電池和鋰-空氣電池)有徹底改變便攜式能量?jī)?chǔ)存的應(yīng)用潛力，但這些技術(shù)都還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未來到底會(huì)如何發(fā)展還有待檢驗(yàn)。

對(duì)于電站式的儲(chǔ)能應(yīng)用(比如用于儲(chǔ)存風(fēng)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?yàn)榭沙掷m(xù)性和成本效益上原因成為鋰離子電池的候選項(xiàng)。