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《经济学人》:锁定锂离子,让电池续航更长时间

经济学人
2014-09-18 20:24
来源:澎湃新闻
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        【写在前面】

        无论是人们日常使用的手机、笔记本电脑等便携式设备,还是新能源电动汽车、智能电网等,都少不了锂电池的身影。

        然而,目前的锂电池技术远非完美,突出表现在,由于电力续航能力不足,不少消费者常抱怨“智能手机耗电快”或者“电动汽车跑不远”。制造出新一代更高能量密度的锂电池,成为目前各国专家争相攻克的“桥头堡”。

       近期,英国《经济学人》杂志就锂电池提升续航能力的前沿研究撰文,特别提到了斯坦福大学团队目前所进行的科技攻关。该项目得到了前诺贝奖得主、美国原能源部部长朱棣文的支持。

斯坦福大学博士崔屹。

        电子产品以惊人速度统治了现代生活,但产品的充电问题正减缓这一速度。从智能手机、笔记本电脑到特斯拉,以及从1991年起售的波音787飞机,锂离子电池应用在所有的电子设备中。它们的性能有所提升,关键在于如何抓住锂离子。

        《经济学人》的文章首先解释了锂电池的原理:与普通电池类似,锂离子电池包含了两个电极(阴极和阳极),并由电解液将其分开。在一个典型的锂离子手机中,阳极由石墨做成,阴极则由钴酸锂组成,电解质是锂盐和有机溶剂混合物。充电时,带正电的锂离子电解质驱动到带负电荷的正极,并在此累积。电池在使用时,电子又按原路返回到电池的负极中。

        锂电池的风险主要在于热量。充电放电过程中,锂电池还会产生热量,这部分热量大多数情况下会消散。但电池充电太久可以形成细长的锂树突,或结晶,这会导致在正极短路。短路的故障也会出现在其他材料制成的电池中。这就会引发“热失控”和偶尔的火灾。这就是波音787在2013年早期禁飞的原因,也是许多手提电脑和智能手机被召回的原因。

        除了上述风险,《经济学人》提到,对于许多科学家而言,最终目标是商业化生产本身能包含更多锂阳极的电池。锂金属正极拥有比其他材料更高的能量储蓄能力,因为锂是最密集的金属元素,并拥有最大的功率重量比。斯坦福大学博士崔屹估算,拥有锂阳极和硫阴极(硫同时具有很高的能量储存能力)的电池比目前的锂电池效能高5倍,重量更轻。

        最大的障碍是锂元素的高化学反应:它属于碱金属一类,含有钠和钾,是导致许多化学灾难发生的“明星”。将锂阳极装入电池、开始充电后,锂会迅速扩散,尽可能多的抢占离子聚集的空间(其他材料的正极材料扩散时,并没有像锂这样)。锂阳极也会转换成锂树突,形成类似苔状的东西。情况好的话,这些仅仅会减弱效率,运气差的话,就会引发火灾。

        《经济学人》表示,崔屹和他的团队,包括诺贝尔物理学奖得主、美国前能源部长朱棣文,相信他们能找到减少危险发生的方法。一种方法是将锂阳极做成比人类头发还细5000倍的“碳团簇”薄膜。这样的碳膜不会和锂反应或者电解质反应;同时,又拥有非常强大的效能和灵活性,使其能够随着锂扩张和收缩。锂离子可以进入阳极,但电池好像这层薄膜没有存在一样,这就可以防止它形成树突(比离子大成千上万倍)。

        最新的研究发现,可以使用最新的二维材料,换句话说,由一个原子层覆盖锂阳极。他们选择的材料是分层的二维六角氮化硼或石墨烯。但二维材料也存在一个缺陷,却是以一种好的方式:当它使用时,微小原子使表面形成裂缝,从而让锂离子能够通过,但却能拦截可怕的树突。

        这两种方法,连同斯坦福大学其他研究团队目前还不会公布,但已经进行了多年。当充电电池可商业化时,必须充电效率(电能存储的百分比在充电,放电时可恢复)超过99.9%,并有更长的充电和放电时间。今天,崔屹的“碳团簇”薄膜能达到99.6%的效率,而它的二维电池效率则在97%左右,使用周期长。但想要获得最后的几个百分点需要时间。对此,崔屹表示有信心,他称有希望能量产这类电池。

        那些嘲笑这些研究的应该仔细研究崔屹的记录。他已与安普瑞斯合作,开始创业。美国安普瑞斯(Amprius)公司是世界领先的先进储能材料的开拓者,也是新型锂电池材料和锂电池的开发和制造商。安普瑞斯的技术来源于美国斯坦福大学。

        崔屹主导的硅阳极电池工作已从几大风险投资公司处获得6000万美元资金,包括谷歌主席埃里克•施密特。

        (王心馨编译)

        

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