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铝空气电池显身手 锂电挑战大容量

2014-07-12 00:01
夜隼008
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  电池内部构造:锂电挑战大容量 

  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。

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