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聚焦锂离子电池续航不用愁

导读: 对于许多科学家而言,最终目标是商业化生产本身能包含更多锂正极的电池。锂金属正极拥有比其他材料更高的能量储蓄能力,因为锂是最密集的金属元素,并拥有最大的功率重量比。

  OFweek锂电网讯:电子产品以惊人地发展速度统治了现代生活,但产品的充电问题正减缓这一速度。从智能手机、笔记本电脑到特斯拉以及从1991年起售的波音787飞机,锂离子电池应用在所有的电子设备中。它们的性能有所提升,但相比于智能数码产品的更新换代,锂离子电池需要仅是一点点令人惊奇的元素:锂

  与普通电池类似,锂离子电池包含了两个电极(正极和负极),并由电解液将其分开。在一个典型的锂离子手机中,正极由石墨做成,负极则由钴酸锂组成,电解质是锂盐和有机溶剂混合物。充电时,电池驱动带正电的锂离子电解质到带负电荷的正极,并累计。电池在使用时,电子又按原路返回到电池的负极中。

  整个过程中还会产生热量,这部分热量大多数情况下会消散。但电池充电太久可以形成细长的锂树突,或结晶,这会导致在正极短路。短路的故障也会出现在其他材料制成的电池中。这就会引发“热失控”和偶尔的火灾。这就是波音787在2013年早期禁飞的原因,也是许多手提电脑和智能手机被召回的原因。

  除了这一风险,对于许多科学家而言,最终目标是商业化生产本身能包含更多锂正极的电池。锂金属正极拥有比其他材料更高的能量储蓄能力,因为锂是最密集的金属元素,并拥有最大的功率重量比。斯坦福大学崔屹博士估算,拥有锂正极和硫负极(硫同时具有很高的能量储存能力)的电池比目前的锂电池效能高5倍,重量更轻。

  最大的障碍是锂元素的高化学反应:它属于碱金属一类,含有钠和钾,是导致许多化学灾难发生的“明星”。将锂正极装入电池,开始充电后,锂会迅速扩散,尽可能多的抢占离子聚集的空间(其他材料的正极材料扩散时,并没有像锂这样)。锂正极也会转换成锂树突,形成类似苔状的东西。情况好的话,这些仅仅会减弱效率,运气差的话,就会引发火灾。

  崔博士和他的团队,包括诺贝尔物理学奖得主、美国前能源部长朱棣文,相信他们能找到减少危险发生的方法。一种方法是将锂正极做成比人类头发还细5000倍的“碳团簇”薄膜。这样的碳膜不会和锂反应或者电解质反应。同时又拥有非常强大的效能和灵活性,使其能够随着锂扩张和收缩。锂离子可以进入正极,但电池好像这层薄膜没有存在一样,这就可以防止它形成树突(比离子大成千上万倍)。

《经济学人》:聚焦锂离子电池续航不用愁

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  每次一个原子

  最新的研究发现,可以使用最新的二维材料,换句话说,由一个原子层覆盖锂正极。他们选择的材料是分层的二维六角氮化硼或石墨烯。但二维材料也存在一个缺陷,却是以一种好的方式:当它使用时,微小原子使表面形成裂缝,从而让锂离子能够通过,但却能拦截可怕的树突。

  这两种方法,连同斯坦福大学其他研究团队目前还不会公布,但已经进行了多年。当充电电池可商业化时,必须具备充电效率(电能存储的百分比在充电,放电时可恢复)超过99.9%,并有更长的充电和放电时间。今天,崔博士的“碳团簇”薄膜能达到99.6%的效率,而它的二维电池效率则在97%左右,使用周期长。想要获得最后的几个百分点需要时间,但崔博士有信心,他称有希望能量产这类电池。

  那些嘲笑这些研究的应该考虑崔博士的记录。他与安普瑞斯合作,开始创业,硅阳极电池工作,已从几大风险投资公司处获得6000万美元资金,包括谷歌主席埃里克 施密特。如果崔博士的研究取得成功,他预计,可能会并入安普瑞斯。或者,他若有所思地说,“我们可能会重新启动。”

  美国安普瑞斯(Amprius)公司是世界领先的先进储能材料的开拓者,也是新型锂电池材料和锂电池的开发和制造商。安普瑞斯的技术来源于美国斯坦福大学(Stanford)。

责任编辑:scarlett
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