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2014年中10大前沿电池技术盘点(下)

2014-07-06 00:01
默菲
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  碳的概念有多少吸引力?去年发生在英国的一种现象或许可以佐证。当时,英国金融监管机构曾发布警告称,“可疑”的公司盯上了消费者,向他们兜售投资石墨烯的机会。在这一现象的背后,是石墨烯吸引了市场的炒作。事实上,石墨烯自被发现以来,迅速成为全球各国政府、科研机构和跨国企业竟相投入巨资开发的超级材料。欧盟委员会将石墨烯列为仅有的两个“未来新兴技术旗舰项目”之一,提供10亿欧元用于资助石墨烯材料研究。

  中国在《新材料产业“十二五”发展规划》中明确提出积极开发石墨烯材料。海外媒体观察指出,各国对于碳材料的关注立足点各不相同。美国致力于碳纳米管的研究,而欧洲专注于石墨稀的实用化,中国则在碳纳米管和石墨稀两方面推进研发和实用化。在碳材料的纳米技术方面,中国处于全球领先地位。有调查表明,拥有石墨稀相关专利数量最多的是中国,其次是美国和韩国。碳系的黄金时代已经到来,上个世纪,戈登·摩尔大胆预言了硅的盛行,如今硅材料渐渐显示出短板,碳开始成为“后摩尔时代”的接班者之一,成为各方资本和产业巨头追逐的对象。而未来的汽车,将可能不再是钢铁造了。

 

  十、电动汽车完美“备胎”:铝空气电池 

 

  一辆电动汽车能否连续驰骋19个小时,从多伦多开到1800公里外的哈利法克斯,全程无需停车充电?这在理论上将是可行的。近日,美铝加拿大公司和以色列Phinergy公司在蒙特利尔向大众展示了这样一种具有超级续航能力的电池技术。

  以锂离子电池驱动的电动汽车难以普及的最大障碍是行驶里程有限,目前的续航能力大多在135公里(日产Leaf)至480公里(特斯拉S型)之间,除非大量安装快速充电站,否则不适宜驾驶电动汽车远途旅行。美铝加拿大公司和以色列公司Phinergy新展示的100公斤重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量。相比之下,特斯拉Model S的电池超过500公斤,而行驶里程不到500公里。

  新电池并不是从普通电网充电,而是在美铝公司水电站的熔炼车间充电,充满电的电池其实是一块大部分由铝制成的厚重面板。铝板利用从空气中吸收的氧气以及用户给汽车加的水产生化学作用,将铝变成氧化铝,从而释放出能量,为汽车持续提供动力。铝的氧化反应在铝暴露在空气中时会自然发生,表面的氧化铝会阻止深层的铝继续发生反应,新电池采用的新技术则包含了电解质可溶解表面氧化层,使反应持续进行。

  按照美铝加拿大公司的介绍,使用这种电池的汽车仍需保留锂电子电池,铝电池只在锂电池电量耗尽后才启动,因此可以用很长时间,期间只需每月加注清水。通常在一年左右达到使用极限后,到服务站更换充满电的铝电池即可。

  使用这种带有附加电池的原型车,上星期在蒙特利尔的一级方程式赛道上经过了试驾。Phinergy公司还于6月4日在加拿大国际铝业大会上介绍了这一新的发明。目前,发明企业正与魁北克省商议生产协议,争取使这种零排放汽车能够早日投入试运行。

  技术再难提升?谁能取代锂电池?

 

  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。

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