历数下一代电池技术 锂离子电池后继有人

中国化学与物理电源行业协会2019-12-02 16:29:58



  现在几乎世界上所有的智能手机中使用的都是锂离子电池,但是恼火的是大部分智能手机的电池在正常使用中只能勉强坚持一天。尽管如此,锂离子电池已经被应用在了电动汽车当中,储能电网也正要到来,似乎锂离子拥有一个光明的未来呢。

  最近最引人的事件之一就是特斯拉汽车公司宣布他们新推出的住宅是Powerwall电池的订单已经持续到了2016年中期,市场需求十分强劲,很快就将达到每年电池容量35千兆瓦小时的生产预期--美国家用电力消耗为每天120万瓦小时。

  锂离子电池产品最先是在1990年代由索尼推出的,那时许多人都认为锂离子电池是可充电电池的一大突破:凭借其更高的工作电压和更高的能量密度,锂离子电池击败了当时占据主导地位的镍金属氢化物电池(镍氢电池NiMH)。此外,锂离子电池的使用还促进了便携式电子设备的发展。如果没有锂电池,最新的Galaxy 智能手机的重量就可能达到现在手机重量的三倍,体积也将是现在的两倍。

  但是,近来,锂离子电池开始“压力山大”了。在更现代的便携式设备和电动汽车的续航时间上,锂离子电池的表现都并不能让人真正满意。另外,与汽油动力车辆相比,锂离子带来的安全问题也更为严重,尤其是有火灾的危险。

  这种情况自然带来了问题:接下来该怎么办?会有什么新突破来解决这些问题呢?

  更好的锂化学电池

  在我们回答这些问题之间,我们首先来谈论一下电池的内在机制。一个电池单元必须包含由两个绝缘层分开的电机,通常称为隔板,该结构通常浸泡在电解液中。两个电极必须要具有不同的电势或不同的电动势,最后两者之间的电势差就定义了电池的电压。电势较高的电极为正极,另一电极就为负极。

  在放电过程中,电子通过外接的电路从负极流向正极,而带电的原子或离子则在电池内部流动,以保持电中性。在可充电电池充电时,这一过程就会倒过来。

  锂离子电池的能量密度是指单位质量的电池材料能存储多少能量,近几年一直在以每年约5%的增长速度稳定增长,在20年的时间里从90Wh/kg增长到了240Wh/kg,而预计这一趋势还将继续持续。这是由于电极和电解质化合物和体系结构中的渐进改进和最大充电电压的增加;最近的便携式设备电池电压已经从传统的4.2V增长到了4.4V。

  要在能量密度的继续提高上面继续获得突破,电极材料和电解质材料都需要进一步的改进。其中最大的即将实现的飞跃就是向正极中引入元素硫或空气,以及使用金属锂作为负极。

  实验室中的进展

  锂硫电池有望在锂离子电池的基础上实现能量密度的倍增,达到400Wh/kg;锂-空气电池的能量密度甚至有望达到锂离子电池的10倍,可达3000Wh/kg。这主要是因为此种电池使用空气作为一种非板载的反应物,氧气代替了电极中的元素,所以能极大地减少电池质量。

  锂硫电池和锂-空气电池都在实验室中得到了深入的研究,但其商业可行性还有待商业可用的原型设计的出现。在硫电极放电时,硫会溶解到电解液中,从而将电池与电路断开。而且在充电时,锂的量也会变少,这将严重影响到电池整体可逆性。

  为了能将这一技术实用化,我们必须要获得关键的突破:改善正极架构以便更好地保留活性材料或者开发新的电解质,这样不会将活性材料溶解到其中。

  而锂-空气电池也面临着类似的困难,这些问题都是来自于电解液和空气的反应。另外,在这两项技术中,锂电极的保护还是一个有待解决的问题。

  钠能拯救世界?

  上面提到的几种电池中,锂都是电池中的一种关键元素。尽管锂确实是一种很丰富的元素,但是锂的分布非常分散,采取难度较大,所以锂还并未实现全球范围的商业开采。所以目前只有在相对丰富的矿产中才能实现商业开采,目前世界上的大部分锂都来自于高浓度的盐湖的卤水,其中大部分都位于南美洲的安第斯山脉。

  除了相对困难的提取,在美国你到处都能买到6美元一千克的碳酸锂,而因为一辆电动汽车所需要的碳酸锂也不过3千克,所以到目前为止,锂的成本还不是一个大问题。

  锂电池上的最大担忧是地缘政治上的问题:每一个国家都在寻求能源独立,从化石燃料过渡到锂电池只是把能源依赖从中东转移到南美洲而已。

  取代锂的一个可能的解决方法是使用钠,毕竟地球上的钠比锂要丰富2000倍。

  从电化学的角度来看,钠和锂是完全可以相互媲美的,所以钠也是一个很好的候选者。钠离子电池的研究近来也屡见报端,目前来看,一旦钠离子电池实现商业化,性能方面应该可以达到和锂离子电池相当的水平。

  尽管在成本和性能上,钠离子电池并没有什么本质上的提升。但是这却能给各个国家带来更大的自主权,让它们依靠自己的资源生产电池。

  没有万能的良方

  不管什么新兴技术,在安全问题上都有和锂离子电池一样的顾虑。电池安全的主要威胁是易燃性溶剂类电解质,但没有它们,电池的电压要达到2V都很困难。

  事实上,因为水在高于2V的电压下会分解称氢气和氧气,所以3V量级的锂电池和钠电池中使用了昂贵易燃的碳酸酯溶剂来作为电解质。其它的选项包括无溶剂电解质,但却不能提供足够好的导电性能,无法应用在高功率的应用中,所以也没能实现商业化。

  幸运的是,现有的锂离子电池技术出现意外起火的概率大约为4000万分之一。尽管风险并不能完全避免,但可以通过工程控制和保留式设计可以尽可能保证不出现事故。

  总之,目前的锂离子电池提供了相当好的性能。新兴的化学电池技术(锂硫电池和锂-空气电池)有彻底改变便携式能量储存的应用潜力,但这些技术都还处于实验室研究阶段,未来到底会如何发展还有待检验。

  对于电站式的储能应用(比如用于储存风能和太阳能),其它类型的电池(如高温钠硫电池或氧化还原液流电池)则可能因为可持续性和成本效益上原因成为锂离子电池的候选项。