鉅大LARGE | 點擊量：1481次 | 2021年10月25日
鋰離子電池世界的“四大金剛”
鋰離子電池在我們的生活中到底扮演著一個什么樣的角色呢？
不了解您閑暇時分有沒有思考過類似的問題。但即便對此一無所知，看看您手上握著的手機，大概心里也會有個底兒。除非是立志要過原始化的生活，否則鋰離子電池就肯定會在您的生活中占據(jù)一席之地。
好的，這個很確定，那鋰離子電池有沒有什么是困惑到您的呢？可能很多人會一拍大腿，道出“續(xù)航”二字。作為“不玩手機就會死星人”，這個大概是關(guān)系到生命的大事。
那有沒有什么辦法能很好地解決手機或是其它要使用到鋰離子電池的設(shè)備的續(xù)航問題呢？答案是暫時還沒有。
其實，目前存在于實驗室中的一些電池“號稱”能解決這個問題，但是無法商用就約等于不存在。當然，種種瓶頸在未來都會引刃而解。我們不妨先一睹為快，看看這些前沿鋰離子電池技術(shù)及其“虎視眈眈”的對手們上演一場精彩絕倫的科技大戰(zhàn)吧。
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鋰離子電池世界的“四大金剛”
1、全固態(tài)鋰離子電池
我國工程院陳立泉院士曾經(jīng)說過：“下一代鋰離子電池應(yīng)是全固態(tài)鋰離子電池，假如現(xiàn)在還不布局全固態(tài)鋰離子電池，將會錯失發(fā)展時機?！?/p>
全固態(tài)鋰離子電池之所以稱為“全固態(tài)”是因為其電極和電解液都是固態(tài)的。全固態(tài)電池有一個很突出的優(yōu)點，安全性比液態(tài)鋰離子電池要高許多，不易發(fā)生爆炸，而且其功率重量比較高，可以有效地縮小體積，所以業(yè)內(nèi)認為它是電動汽車理想的動力來源之一。
除安全性較傳統(tǒng)鋰離子電池優(yōu)越外，全固態(tài)鋰離子電池還有一個很大的優(yōu)勢，就是充放電循環(huán)壽命很長，最長可達45000次，并保存95%的初始容量，這點讓其它種類電池望塵莫及。
年初Sakti3公司曾獲得戴森公司1500萬美元的研發(fā)投資資金，就是與固態(tài)電池相關(guān)。Sakti3聲稱已制造出能量密度達每公升1.1kWh（即550Wh/kg）的電池，這一能量密度要比鋰離子電池高出約50％，能讓電動汽車的續(xù)航里程從256英里（約412公里）提升到480英里(約772公里)，但這一數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過獨立測試。
這么牛的電池為何不能商用呢？目前瓶頸重要存在如下：
1、室溫電導率普遍較低(<10-3S/cm)，電池倍率充放電性能較差；
2、固態(tài)電解質(zhì)/電極間界面阻抗大，界面相容性較差，界面鋰離子電導率較低，固態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中體積膨脹和收縮，導致界面容易分離；
3、低溫性能仍然有待進一步提高；
4、有待設(shè)計和構(gòu)建與固態(tài)電解質(zhì)相匹配的電極，研究和開發(fā)出適合于固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池體系。
2、鋰硫電池
鋰硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負極的一種鋰離子電池，基于硫與鋰之間的可逆電化學反應(yīng)來實現(xiàn)能量儲存和釋放。其理論比能量可達2500Wh/kg（能量密度為1675mAh/g），遠遠高于目前商用的鋰離子電池。而且值得一提的是，硫的成本較低，并且對環(huán)境友好，基本不會造成污染。所以鋰硫電池是一種非常有前景的鋰離子電池，有望被應(yīng)用于動力鋰離子電池、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。
但是，鋰硫電池的應(yīng)用難度與其優(yōu)點相同為眾人所知，重要存在以下三個問題：
1、鋰多硫化合物溶于電解液，可能降低硫電極的穩(wěn)定性；
2、硫作為不導電的物質(zhì)，導電性非常差，不利于電池的高倍率性能；
3、硫在充放電過程中，體積的擴大縮小非常大，有可能導致電池損壞。
解決的方法要從電解液和正極材料兩個方面入手，科學家門正在研究中。
鋰硫電池最大的意義是能真正提升電池容量是，相信很快，我們便不會為尷尬的智能手機續(xù)航力而煩惱了。
3、石墨烯鋰離子電池
現(xiàn)如今，電動汽車續(xù)航成為人們最頭痛的問題之一，就連業(yè)界巨頭特斯拉的Roadster升級版跑車都僅能達到644公里的續(xù)駛里程，假如此時有人告訴你：“有這么一種電池，一次充電時間只需8分鐘，可行駛1000公里?！毕嘈藕芏嗳硕紩@呆了，這種電池就是石墨烯電池，因為性能彪悍，所以被喚作“超級電池”，甚至被“妖魔化”。
相信大家都了解石墨烯是什么，這里就不贅述了。重點是石墨烯的結(jié)構(gòu)可以改變鋰離子電池技術(shù)長期沒有突破的障礙。石墨烯陽極材料比如今鋰離子電池中慣用的石墨陽極充電或放電速度快10倍?！俺夒姵亍眳?shù)顯示，其能量密度超過600wh/kg，是目前動力鋰離子電池的5倍；使用壽命是目前鋰離子電池兩倍；其成本將比目前鋰離子電池降低77%。
石墨烯的導電性很好，可以提升充電速度，減少充電時間，宏觀上可以大范圍減少充電站和充電樁的需求。以目前全球領(lǐng)先地位的特斯拉ModelSP85D為例，其通過大功率的超級充電站充電，也要80分鐘才能充滿，車主等充電的時間仍然是一次煎熬。
鋰離子電池傳統(tǒng)制造強國是日本和韓國，在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術(shù)先機，韓國科學家早在去年十一月就宣布，最新發(fā)明的石墨烯超級手機電池，可存儲與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時間只需16秒。而我國的石墨烯電池是今年三月份才上市，而且是否代表石墨烯的“商用”仍有待商榷。
從2004年面世至今，石墨烯一直處在風口浪尖上，但其若真是突破了技術(shù)限制，被運用在電池上，那“顛覆”二字的確是擔得起的。
4、鋰-空氣電池
現(xiàn)在跟大家講一下最牛的前沿鋰離子電池。
麻省理工學院曾發(fā)表過一篇闡述電池領(lǐng)域為何沒有取得突破的文章，并提到了最有可能成為下一代電池技術(shù)的選擇。一個是上面介紹的鋰硫電池，還有一種就是鋰-空氣電池。鋰-空氣電池的理論能量密度能達到鋰離子電池的十倍，它是迄今為止能量密度最大的儲能器件，和汽油相當。
一塊鋰-空氣電池可使汽車輕松行駛350英里以上，不需消耗汽油，并且相比于傳統(tǒng)電池體積更小也更便宜。但是很難使得鋰空氣電池的電池容量接近理論值，其氧化薄膜的關(guān)鍵問題也沒有得到解決。
眾所周知鋰-空氣電池兩個最大的問題是效率低以及不能多次充放電。當鋰離子和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成鋰氧化物時，鋰-空氣電池出現(xiàn)電流。而鋰-空氣電池的充電過程則涉及到該反應(yīng)的逆反應(yīng)--鋰氧原子間的化學鍵斷裂，并且釋放氧氣。致命問題在于生成的鋰氧化物會覆蓋在電池電極上，從而隔絕了電極與催化劑的接觸，進而減緩反應(yīng)進程。
如此說來，全固態(tài)鋰離子電池可能比鋰-空氣電池商用的時間要早得多。
我們上面介紹了鋰離子電池界的“四大金剛”，接下來就看看和它們分庭抗禮的另外四種電池。
未來有無限可能
1、鋁離子電池
本年度四月份，電池世界發(fā)生了一次“強震”。假如您稍有了解，就會了解小編接下來要說的是鋁離子電池。
美國斯坦福大學的一個研究小組當時發(fā)表了有關(guān)鋁離子電池的論文。據(jù)介紹，這種鋁離子電池能實現(xiàn)快速充放電，且循環(huán)次數(shù)高達7500次后容量仍毫無損失，性能遠超普通鋰離子電池（一般為300次）。另外，這種鋁電池具有高效耐用、可超快充電、低可燃性、高安全性、低成本等特點。
一石激起千層浪，專家和媒體一致認為這是電池行業(yè)的重大突破。據(jù)悉，新研制的可充電鋁電池要比被國際多家公司明文“禁運”的鋰離子電池要高得多，鋁電池不會爆炸。另一方面，目前配備鋰離子電池的智能手機充電可能需數(shù)小時，但使用這種鋁電池，為手機充滿電只需一分鐘。
不過，新鋁電池出現(xiàn)的電壓僅為傳統(tǒng)鋰離子電池的一半，研究小組希望能通過提升正極材料的性能，最終提高鋁電池的電壓并新增能量密度。
而由于作為電解液的等離子液體成本較高，因此這種新型鋁電池距離生產(chǎn)還有一定的距離，商業(yè)上可行的鋁電池也尚未問世。但毋庸置疑的是，鋁離子電池前景廣闊，假如能及早投放市場，一定會深受消費者喜愛。
2、鋁-空氣電池
接下來這一位又是鋁電池，但細分下來，它屬于是金屬-空氣電池。
2014年，Alcoa(美鋁公司)和以色列Phinergy公司在位于蒙特利爾的維倫紐夫賽車場對一臺電動汽車進行了測試。本來是很稀松平常的一件事，但后面的結(jié)果十分驚人。這輛測試車在搭載了兩家公司聯(lián)合開發(fā)的鋁-空氣電池后，續(xù)航里程新增到994英里(約合1600公里)！
這是什么概念呢？抗日神劇中的800里（北京到呼和浩特的直線距離）射程的4倍就是1600公里！相關(guān)資料顯示，鋁-空氣電池的理論比能量可達8100Wh/kg，2014年的鋁空氣電池的實際比能量只達到350Wh/kg，但也是鉛酸電池的7～8倍、鋰離子電池的2.3倍。采用鋁-空氣電池后，車輛能夠明顯地提高續(xù)駛里程。
這是能秒殺所有電池的數(shù)據(jù)，小編也不得不多向大家介紹這種電池。
鋁空氣電池還有方便維護的優(yōu)點。按照現(xiàn)在的技術(shù)方法，鋁-空氣電池重要是作為鋰離子電池的補充電源，用戶只要每一到兩個月注入自來水以支持化學反應(yīng)，每年讓技術(shù)人員對它進行一次保養(yǎng)即可。據(jù)稱該電池的壽命可達20到30年。而且，100公斤重的鋁-空氣電池可儲存供行駛3000公里的足夠電量，只需每月加注清水。相比之下，業(yè)界驕傲的特斯拉ModelS的電池超過500公斤，而行駛里程不到500公里。
但是，鋁-空氣電池在放電過程中陽極腐蝕會出現(xiàn)氫，這不僅會導致陽極材料的過度消耗，而且還會新增電池內(nèi)部的電學損耗。直白一點地講，100公斤重的鋁空氣電池行駛完3000公里后，電池的壽命就結(jié)束了，要重新安裝，即補充金屬鋁。這成為鋁-空氣電池的商業(yè)化進程的最大障礙。
另外，鋁-空氣電池的副反應(yīng)較多、反應(yīng)過程不易控制，部分反應(yīng)生成物一定程度上阻礙反應(yīng)繼續(xù)進行，釋放大量熱，同時出現(xiàn)易燃易爆氣體。從實驗結(jié)果來看，鋁空氣電池更適合作為續(xù)航備用電池，也就是說，一輛電動汽車的標配能量應(yīng)該是，實際使用中取鋁空氣電池所長，獲得更長的續(xù)駛里程，同時也要補鋁空氣電池所短，配一個功率型的電池，使車輛具備不錯的動力性能。
3、鈉離子電池
業(yè)界一直在討論鋰離子電池的繼任者到底是什么？而有部分專家認為是鈉電池。
鈉離子電池之所以受到關(guān)注，是因為作為其主材料的鈉資源幾乎取之不盡用之不竭，制造成本不到鋰離子電池三分之一。而且這種電池兼具單位體積存儲能量多和使用壽命長等優(yōu)點，可持續(xù)5千次充放電循環(huán)，效率超過85%，據(jù)說可以將傳統(tǒng)鋰離子電池的續(xù)航能力提升7倍。
日本科學家正在研發(fā)全新材料的鈉離子電池，與傳統(tǒng)智能手機中的鋰離子電池完全不同?，F(xiàn)階段的鈉電池已進入實用化階段，但這種電池工作時需加熱到250攝氏度以上，以使其正極的硫和負極的鈉處于熔融狀態(tài)，保持電池內(nèi)部的低電阻。鈉離子電池最大的缺點之一是電池的充、放電時間過長，同時緩慢的放電速率不能給大功率設(shè)備輸出足夠的功率密度。一般而言，在充、放電速率和容量之間有一個權(quán)衡，以便在提高充、放電速率的同時不會顯著降低電池容量。
鈉離子尺寸比鋰離子大了25%。更大的尺寸使鈉離子很難嵌入發(fā)生化學反應(yīng)所在的電極晶體結(jié)構(gòu)中。因此鈉離子的移動速率就比較慢，這成為了鈉離子電池充、放電速率慢的根源。與該問題相關(guān)的還有電荷傳輸速率和材料的穩(wěn)定性也要提高。
4、鎂電池
通常情況下，鎂離子都以2價正離子（Mg2+）的形態(tài)存在，這意味著它假如在電池中充當“搬運工”的話，每次最多可攜帶兩枚電子。所以，理論上來講，假如兩塊電池分別使用了同等密度含量的鎂離子和鋰離子，使用鎂離子作為傳遞電子介質(zhì)的電池能量存儲密度將是鋰離子電池的兩倍（鋰離子是+1價）。
但是瓶頸在于當鎂離子和兩個負1價的電子結(jié)合時，整個原子核就擁有了兩倍的負電荷，而負電荷量越多，吸引其他鎂離子的能力也就越強。因此，當鎂離子攜帶著兩倍的電荷，要在充滿電解液的兩極之間運動的話，速度自然慢了很多。電腦模型顯示電解液中的鎂離子只會受到相鄰四個其他離子的影響。
鑒于此，未來假如要研發(fā)能量存儲密度更高的鎂離子電池，選擇一種既能發(fā)揮電池全部功能同時也有利于鎂離子移動的電解液，便成了當務(wù)之急。
除了上面提到的優(yōu)勢之外，相比鋰，金屬鎂的開采成本較低，同時利用價值卻很大。豐田目前已經(jīng)在相關(guān)技術(shù)上投入了巨資，而特斯拉CEO馬斯克也曾多次在公開場合表態(tài)，特斯拉及其超級電池廠已經(jīng)做好了“擁抱”鎂電池的準備。從傳統(tǒng)鋰離子電池到鎂電池的轉(zhuǎn)型，在電池設(shè)計方面并不會受到太大的影響，廠只需更新相應(yīng)的流水線作業(yè)工具，即可輕松造出兩倍能量密度的特斯拉鎂電池。
結(jié)語：
或許看到這么多前沿的電池技術(shù)，再看看現(xiàn)在的手機和電動汽車的續(xù)航會有一陣眩暈感，但科技的進步往往是厚積薄發(fā)。一蹴而就是只存在于理想世界的詞語，我們還是期待科學界早日的突破吧。
