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锂电池--挑战大容量存储

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-07-10  来源:浙江日报  浏览次数:2551
核心提示: 我们正在展望一个广泛利用清洁能源的新时代。作为这个时代的标志性场景之一,人们希望看到满街跑着的都是类似特斯拉电动车这
       我们正在展望一个广泛利用清洁能源的新时代。作为这个时代的标志性场景之一,人们希望看到满街跑着的都是类似特斯拉电动车这样的新型轿车,它不再需要汽油,而是用蓄满了电的锂电池驱动。到那时候,遍布道路两旁的加油站也将会被充电站所取代。最新的消息是,上海市已经宣布对特斯拉电动车实行免牌照上牌政策,并支持他们更快地在中国建设超级充电站。
 
       然而,当你意识到电动车使用的电池和你手机里装着的电池并无本质区别,令人欢欣鼓舞的光明远景可能就要盖上一朵乌云了。手机党经常苦恼的就是电池的续航能力。许多人的手机早上充满,下午见底,一天必须充一次。笔记本电脑同样有这个问题,几个小时就可能电量告罄。电动车没开多远就“趴窝”,需要频繁充电,这是它的实用性备受质疑的焦点。特斯拉唯一投放市场的Model S型电动车,最高配置的车型宣称一次充满电后可以行驶480公里,已经是很了不起的成绩了。
 
       为什么电池“不耐用”?在一定的空间里,物质所能储存能量的大小被称作“能量密度”。从能量密度的排位来看,电池几乎垫底。以每千克产生的能量作为指标,我们日常使用的汽油能达到50兆焦耳,而锂电池的平均水平还不到1兆焦耳。其他类型的电池同样在极低的水准徘徊。显然,我们不可能把电池的体积做得无限大;为了提升电池的容量,只能着眼于提高电池的能量密度,但是困难重重。这项技术到底难在哪里?记者就此采访了浙江大学化学系副教授刘润,以我们常用的锂离子电池(简称锂电池)为例,解剖电池内部构造的秘密。
 
       电解液很重要
 
       电池之所以能够提供能量,是因为发生了电子的转移。在电池接到一个电路里,合上开关,电流就通了。这时,电子就会从负极跑出来,经过电路流到正极。在这个过程中,电子会做功,来支撑你的手机运转,或者驱动特斯拉电动车。
 
       锂电池的电子是由锂提供的。那么,在电池里装满了锂,能量密度不就上去了吗?可惜的是,为了让锂离子电池具备可充电的功能,它的内部构造必须以牺牲能量密度为代价。刘润指出,锂电池的内部构造包括电解液、负极材料、正极材料和隔膜等,每一样都有其专门的工艺需求,发挥独特的功能,不可或缺。这种构造限制了锂电池能量密度的提升。
 
       首先,是电解液,它是电池里不可缺少的运输管道。“电池放电的时候,锂原子失去电子,变成了锂离子,这时它要从电池的一极跑到另一极去,到了充电的时候再跑回来。”刘润说。锂离子在电池两极的来去构成了锂电池循环使用的关键,而电解液保证了它的旅途自由通畅。电解液就像河水,锂离子就像鱼。如果河床干了,鱼到不了对岸,锂电池就无法正常工作。
 
       电解液的奇妙之处还在于,它只会运载锂离子,而不会运载电子,这就确保了电池只有在电路连通的时候才会放电。同时,依赖电解质,锂离子的运动有序而明确,使电子总是沿着一个方向移动,这样才形成了电流。

       正负极求稳定
 
       电解液虽然不提供任何能量,并且占的分量还不小,但是锂电池里绝少不了它。那么,以石墨为主的负极材料为什么也不能少呢?石墨就是做铅笔芯的材料,也不负责提供电子。刘润说,这是为了保证充电的时候不出问题。
 
       充电时,锂离子从正极跳入电解液,游回负极,在那里得到电子变成锂原子聚集起来,准备下一次放电。但是,锂本身是电子的良好导体,后来的锂离子可能还没到达负极,就从已经变身为锂原子的前辈那里得到了电子。这样,锂原子就可能像杂草一样在电池里面疯长,并出现晶体。这个过程就叫做“析晶”。野蛮生长的锂晶体最终会刺穿隔膜,使电池短路报废。
 
       为了解决这个麻烦,科学家用石墨制成负极材料,利用其表面的空隙,就像一个个小房间,让锂原子安稳地待在里面,彼此不发生作用。这样一来,锂原子安分了,但是电池的能量密度就又下降了。
 
       类似的道理也适用于电池的正极,为了维持电池的稳定有序,正极材料也经过特殊设计,充电的时候不是所有的锂离子都会游回负极,大约有近一半的锂离子会留下来,这也削弱了电池的能量密度。
 
       大容量存挑战
 
       客观地看,锂电池体积小、分量轻、寿命长、成本低,又安全、又环保,较短的充电时间就能换来较长的使用时间……已经是人类目前找到的极为优质的电池。但是,科学家总是精益求精。刘润说,改良的关键,是寻找更优质的正极和负极材料,来提升电池的能量密度。
 
       负极材料可能的替代品有锂硅合金等,其能量密度比石墨高近十倍。找到更稳定的正极材料则显得更加重要。现在人们主要用的是钴酸锂,这种材料很昂贵,而稳定性和能量密度则不尽如人意。科学家正在研究是否有可能用铁基或锰基的氧化物来代替它。
 
       在可预见的未来,我们有可能获得更大容量的电池吗?科学家还是围绕锂来下功夫。因为锂参与反应的电子比例高,金属锂自身的能量密度大。锂硫电池和锂空气电池都存在理论上的可能性,它们是电池,却可以提供像汽油燃料一样丰沛的能量。不过,实际的开发推广仍然面对诸多挑战。
 
       看来,对电动车感兴趣的你,还是需要暂时接受跑上一阵子就要充电的现实。纽约的科学家最近有一项新发明,把太阳能充电板做成窨井盖的模样,让电动车随时可以停在路面上充电。对于特斯拉来说,这可是个好消息,不是吗。
 
关键词: 锂电池
 
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