可充電電池革命

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1、可充電電池革命蘇然/編譯●化學(xué)家們正在重新發(fā)明可充電電池，努力降低成本、提高容量。移動(dòng)世界依賴于鋰離子電池，這是目前頂級(jí)的可充電能量存儲(chǔ)件。去年，消費(fèi)者購買了50億個(gè)鋰離子電池給筆記本電腦、相機(jī)、手機(jī)和電動(dòng)車供電?！斑@是任何人見過的最好的電池技術(shù)?！笨偛吭O(shè)在伊利諾伊州芝加哥附近的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的美國儲(chǔ)能研究聯(lián)合中心（JCESR）主任喬治·克拉布特里（GeorgeCrabtree）說。但是，克拉布特里想做得更加更加好。現(xiàn)代的鋰離子電池與1991年索尼公司賣的最初的商業(yè)鋰離子電池相比，單位重量能儲(chǔ)存超過兩倍的能量，而且便宜10倍，但是這已接近極限。大多數(shù)研究者認(rèn)為，改進(jìn)鋰離子電池至多能

2、再提高30%的單位重量儲(chǔ)能。這意味著鋰離子電池?zé)o法像一個(gè)汽油箱那樣讓電動(dòng)車行駛800公里，也無法讓高耗電的智能手機(jī)運(yùn)行很多天。2012年，JCESR總部從美國能源部獲得了1.2億美元的資助，研究超越鋰離子電池技術(shù)的新技術(shù)。它描述的目標(biāo)是在5年后，當(dāng)把電池?cái)U(kuò)大到電動(dòng)汽車使用的商用電池組那樣時(shí)，能量密度將比現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)能量密度提高5倍，而且便宜5倍。那意味著到2017年，要實(shí)現(xiàn)每千克電池儲(chǔ)能400瓦時(shí)的目標(biāo)?？死继乩锓Q這個(gè)目標(biāo)非常進(jìn)取，而加拿大哈利法克斯達(dá)爾豪西大學(xué)的資深電池研究者杰夫·達(dá)恩（JeffDahn）則認(rèn)為這是不可能的。自從20世紀(jì)早期的鉛-鎳充電電池發(fā)明以來，可充電電池的能

3、量密度只提高了6倍。但是，達(dá)恩說，美國JCESR的目標(biāo)聚焦于幫助世界轉(zhuǎn)向可再生能源的關(guān)鍵技術(shù)——例如，儲(chǔ)存太陽能用于夜里或雨天。亞洲、美洲和歐洲的許多研究團(tuán)隊(duì)和公司也正在尋找鋰離子之外的電池技術(shù)，尋求可能超越鋰離子電池的儲(chǔ)能策略。擺脫自重去年年初，當(dāng)他那硬幣大小的電池在幾個(gè)月的持續(xù)放電和充電后依然電力強(qiáng)勁時(shí)，化學(xué)工程師埃爾頓·凱恩斯（EltonCairns）感覺到他已經(jīng)掌握了一種有前景但是不易控制的電池化學(xué)反應(yīng)。到7月，他在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的電池已經(jīng)循環(huán)使用了1500次，僅僅失去了一半的蓄電能力——大致與最好的鋰離子電池的性能并駕齊驅(qū)。他的電池基于鋰硫電池技術(shù)，使用極端便宜的

4、材料，理論上比鋰離子電池單位重量能多儲(chǔ)存5倍能量（實(shí)際上，研究者懷疑，可能只是鋰離子電池的兩倍）。鋰硫電池最早在40年前被發(fā)明，但是以前的研究者無法讓它們循環(huán)使用超過100次?，F(xiàn)在，許多人認(rèn)為這套裝置是最接近于接替鋰離子電池的在商業(yè)上可行的技術(shù)。鋰硫電池的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，凱恩斯說，是它擺脫了鋰離子電池的自重。在一個(gè)典型的鋰離子電池中，除了吸住鋰離子幾乎沒有其他作用的分層石墨電極占據(jù)了很大空間。這些鋰離子流過一種攜帶電荷的液體電解質(zhì)，到達(dá)層狀金屬氧化物電極。如同所有的電池，電流因電子必須繞過外部電路來平衡充電而產(chǎn)生。為了給電池充電，一個(gè)電壓加到電池上，反轉(zhuǎn)電子流動(dòng)方向，這也驅(qū)使鋰離子反

5、向流動(dòng)回來。在鋰硫電池中，石墨被替換為純鋰金屬的細(xì)片，承擔(dān)作為電極和鋰離子提供者的雙重任務(wù)：當(dāng)電池使用時(shí)，它就收縮，當(dāng)電池被充電時(shí)，則恢復(fù)。而且金屬氧化物被更便宜、更輕的、能真正把鋰離子包裹進(jìn)去的硫取代；每個(gè)硫原子與兩個(gè)鋰原子綁定在一起，但是它卻把不止一個(gè)金屬原子綁定到一個(gè)鋰原子上。所有這些都為鋰硫電池創(chuàng)建了獨(dú)特的重量和成本優(yōu)勢(shì)。但是鋰和硫之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)造成一個(gè)問題。隨著電池放電和充電，可溶性的鋰硫化合物會(huì)滲進(jìn)電解液中，降解電極，使電池失去電荷，電池粘合到一起。為了避免這個(gè)問題，凱恩斯使用了因?yàn)榧{米技術(shù)和電解質(zhì)化學(xué)的進(jìn)步而變得可能的手法——包括在他的硫電極中摻雜石墨烯氧化物粘合

6、劑，使用特別設(shè)計(jì)的、不太會(huì)溶解鋰和硫的電解液。凱恩斯預(yù)測(cè)，一個(gè)商品大小的電池能達(dá)到大約500瓦時(shí)每千克的能量密度。其他實(shí)驗(yàn)室也報(bào)告了相似的結(jié)果，他說。一些研究者懷疑學(xué)術(shù)上的成功是否能轉(zhuǎn)化成商業(yè)成功。實(shí)驗(yàn)室通常使用低比例的硫和許多電解液，這相對(duì)比較容易開展研究，但是并不能創(chuàng)造出一種能量密度高的電池。提高硫的比例、減少電解液則會(huì)使電池更容易粘合，史蒂夫·維斯科（SteveVisco）說，他在伯克利的一家叫PolyPlus的電池公司里，已經(jīng)對(duì)鋰硫電池研究了20多年，這家電池公司就在凱恩斯的實(shí)驗(yàn)室以西5公里。制造一種便宜的能在一定溫度范圍內(nèi)使用的商用電池也將很困難，他說。至少一家公司代表了

7、鋰硫電池的前景：位于英國阿賓頓的OXIS能源公司。該公司稱，它的大型電池已經(jīng)循環(huán)使用了令人印象深刻的900次，可與目前的鋰離子電池的能量密度相媲美。OXIS能源公司正與總部位于密歇根州安娜堡的蓮花工程公司合作一個(gè)項(xiàng)目，目標(biāo)是到2016年給電動(dòng)車的電池儲(chǔ)能達(dá)到400瓦時(shí)每千克。儲(chǔ)存更多能量作為世界上最輕的金屬，鋰具有巨大的重量優(yōu)勢(shì)。但是一些研究者認(rèn)為，下一代電池應(yīng)該轉(zhuǎn)變成更重的元素，比如鎂。不像鋰，每個(gè)只能攜帶一個(gè)電荷，帶有兩個(gè)正電荷的鎂離子每次能攜帶兩個(gè)電荷穿梭——立