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技术再难提升?谁能取代锂电池?

导读: 1991年,索尼公司推出第一款商业版锂离子电池,与之相比,如今锂离子电池的能量密度(单位质量所存储的能量)已经是原来的两倍多,而价格只有当初的1/10。不过,锂离子电池的能量密度已经接近极限。

作者:理查德·范·诺登

  当今的移动世界离不开锂离子电池,这是目前可充电电池的最佳选择。去年,消费者们购买了50亿只锂离子电池,用来给笔记本电脑、照相机、手机和电动汽车供电。美国阿贡国家实验室能源存储联合研究中心(JCESR)的负责人乔治·克拉布特里(George Crabtree)说,“这是有史以来最好的电池技术”。不过,克拉布特里的目标远不止于此。

  1991年,索尼公司推出第一款商业版锂离子电池,与之相比,如今锂离子电池的能量密度(单位质量所存储的能量)已经是原来的两倍多,而价格只有当初的1/10。不过,锂离子电池的能量密度已经接近极限。许多研究者认为,对锂离子电池的改进,最多还能将能量密度再提高30%。这意味着,锂离子电池永远不能像一油箱汽油那样,让电动汽车连续行驶800千米,也不能让“电老虎”般的智能手机续航许多天。

  2012年,JCESR从美国能源部争取到1.2亿美元的资金,用于研究超越锂离子电池的技术,而亚洲、美洲和欧洲的许多研究团队和公司都在寻找取代并超越锂离子电池的新技术。

  锂–硫电池

  2013年初,化学工程师埃尔顿·凯恩斯(Elton Cairns)认为,自己研制出了一种新型化学电池,只有硬币大小。到2013年7月,他的电池已在美国劳伦斯伯克利国家实验室经历了1 500次充放电循环,而电池容量只损失了一半。这样的性能,基本可以媲美最好的锂离子电池了。凯恩斯的电池基于锂–硫(Li-S)技术,所使用的材料价格非常低廉,理论上的能量密度是锂离子电池的5倍多。

  锂–硫电池的主要优势之一,在于减掉了锂离子电池的“无效体重”。在一块典型的锂离子电池中,多层石墨电极占据了大量体积,而这些电极基本上只是用来吸附锂离子。这些锂离子经由电解液,流到多层金属氧化物电极。和所有电池一样,电子必须通过外部电路流动,来平衡正负电荷,从而产生了电流。要想给电池充电,则须通过外加电压来反转电子流动,这同时也会让锂离子回到石墨电极上。

  在锂–硫电池中,一块纯金属锂片代替了多层石墨电极。这块锂片既是电极,也是锂离子的来源。电池放电时,锂片变薄;电池充电时,它又恢复原状。金属氧化物电极也被更廉价、更轻的硫所取代。硫吸附锂的能力更强,每个硫原子可以结合两个锂原子,而在锂离子电池中,结合一个锂原子就需要不止一个金属原子。所有这一切使得锂–硫电池在成本和重量两方面都具有明显优势。

  一些研究者质疑,学术界的认同未必能转换成商业上的成功。在实验室,研究人员通常使用少量硫和大量电解液,这样比较易于研究,但不能制成高能量密度的电池。在PolyPlus公司(一家制造电池的公司,位于凯恩斯实验室以西5千米的地方)研究锂–硫电池超过20年的史蒂夫·维斯科(Steve Visco)说,增加硫和减少电解液会使电池更容易坏掉,要想以低廉的成本制造出能经受住一年四季温度考验的商品化电池相当困难。

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