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硅阳极、石墨烯、铝氧电池谁会是电池技术的未来

发布时间:2019-12-31 14:50    点击次数:122次   

  ,这种电池能量密度不错,效能较高。但是锂属于稀有元素,成本高资源有限;同时随着可再生能源的使用增长,锂离子电池的能量密度已经不再足够。如何应对?Mayank Jain盘点了一些未来可能会采用的电池技术。原文发表在medium上,标题是:The Future of Bat

  现在的地球充满了能量,而我们正竭尽所能去捕获和利用好那些能源。尽管我们在朝着可再生能源转变的过程已经做得更好,但在储存能量的事情上我们还没有什么进展。目前,电池技术的最高标准是锂离子电池。这种电池似乎具备最佳的能量密度,效能高(约99%),并且使用寿命很长。那有什么问题呢?随着我们捕获的可再生能源不断增长,锂离子电池的能量密度已经不够了。

  由于我们可以不断批量生产电池,这似乎没什么大不了,但问题是锂是一种相对稀有的金属,因此,它的成本不低。尽管电池的生产成本在下降,但对能量储存的需求也在迅速增加。我们已经到达了这么一个时点,一旦制造出克替代锂离子的电池,将会对能源行业产生巨大影响。化石燃料能量密度更高是事实,这是妨碍朝着完全依赖可再生能源转变的一个巨大的影响因素。我们需要排放能量高于自身重量的电池。

  锂电池的工作机制跟普通AA或AAA化学电池类似。它们有阳极端子和阴极端子,以及在两者之间的电解质。跟普通电池不同的是,锂离子电池中的放电反应是可逆的,所以电池可以反复充电。阴极(+端子)由磷酸铁锂制成,阳极(-端子)由石墨制成,而石墨就是碳制成的。电只是电子的流动。这些电池通过让锂离子在阳极和阴极之间移动从而产生电流。充电时,离子移动到阳极,放电时离子就跑到阴极。

  离子的这种运动导致电子在电路的移动,所以说锂离子运动和电子运动是相关联的。很多像宝马这样的大型车企一直在投入资金开发硅阳极电池。就像普通的锂离子电池一样,这些电池用锂阳极,但是它们不用碳基阳极,而是用硅。作为阳极,硅比石墨好用的原因在于需要4个碳原子才能hold住锂,而1个硅原子就能hold住4个锂离子 。这是一次重大升级……使得硅的性能比石墨强了3倍。

  尽管如此,锂的使用依然是一把双刃剑。这种材料仍然价格昂贵,但是生产设施转移到生产硅电池也比较容易。如果电池是完全不一样的话,工厂就得进行彻底的重新设计,这样就会导致切换的吸引力略微降低。硅阳极是通过对沙进行处理产生纯硅而制成的,但是研究人员当前面临的最大问题是,硅阳极在使用的时候会膨胀。这会导致电池降级得太快。而且阳极也很难批量生产。

  石墨烯是一种碳薄片,采用的材料跟铅笔的一样,但是把石墨粘到薄片上的成本很高。石墨烯因为在很多用例中的出色性能而备受称赞,而电池就是用例之一。有些公司正在研究可以在几分钟之内充满电,并且放电速度比锂离子电池快33倍的石墨烯电池。这对于电动汽车来说价值巨大。目前,传统的电池都是二维的。它们要么像锂电电池一样堆叠而成,要么像典型的AA或锂离子电池一样卷起来。

  而泡沫电池则是个全新概念,涉及到电荷在3维空间的移动。这种3维结构可加快充电时间并提高能量密度,这些都是电池极其重要的品质。跟大多数其他电池相比,泡沫电池还没有了有害的液体电解质。泡沫电池用固体电解质来替代液体电解质。这种电解质既能传导锂离子,同时还能跟其他电子设备绝缘。保持住电池负电荷的阳极是由泡沫铜制成的,上面还涂有所需的活性材料。然后再把固态电解质涂覆在阳极周围。

  最后,用一种所谓的“正极浆料”的糊剂去填充电池里面的间隙。这些电池的能量密度是所有电池里面最大之一。其能量比目前的锂离子电池更强劲,重量更轻巧。有人声称用这些电池可以让电动汽车续航2000公里。这是什么概念?作为参考,Tesla的最大续航里程约为600公里。这些电池的问题在于它们无法充电。它们是通过铝和氧在水基电解质中的反应来产生氢氧化铝和释放能量。电池的使用会消耗掉作为阳极的铝。

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