锂离子电池与锂空气电池的现状与未来

作者: 圆的方块

来源: 公众号:我是科学家iScientist

发布日期: 2018-10-07 11:02:32

本文探讨了锂离子电池的瓶颈以及锂空气电池作为潜在替代技术的现状和未来。锂离子电池由于其理论储能上限接近,技术发展面临瓶颈。而锂空气电池虽然能量密度高,但存在反应复杂、副产物多、安全性问题等挑战。尽管如此,锂空气电池的研究仍在进行,不断有新的进展和突破,但其商业化和实际应用仍面临许多未知和困难。

在电子产品已经渗入到人类生活的今天,耳边能听到最绝望的声音也许不再是“他/她怎么不爱我了?”,而是“啊~手机/电脑怎么没电了?”。手机没电,生无可恋!对于不少人来说,手机等电子产品早已变成“伴侣级”的生活必备品,而手机对电池的依赖正像我们对手机的依赖一样(没它不行)。甚至可以说,人们对手机使用需求的日益增长和手机电量的飞速下降已成为了当代人生活的主要矛盾之一。

近些年,关于锂离子电池的“突破”纷至沓来。“容量翻倍”、“续航持久”、“快速充满”等关键词,不断撩拨大众的神经。但随之而来的理性分析,又使这些浮华的辞藻盎然失色。人们纷纷抱怨媒体标题误人,并没有切实解决目前的现状与困难。诚然,锂离子电池技术在不断进步。但从某种层面讲,锂离子电池早已徘徊在举步维艰的瓶颈阶段。造成这一瓶颈的最根本原因,是所谓的“物理天花板”——锂离子电池存在理论的储能上限。

很不幸,我们就要接近这个上限了。

根据技术发展的“S型曲线”理论,一项技术大体是从出生、发展到瓶颈,直到被另一项技术所取代。锂离子电池也逃不出这样的宿命循环。当旧势力增长乏力的时候,新的势力总能异军突起,支撑起新的发展。在接替锂离子电池的众多技术中,锂空气电池可能是个答案。若要谈及未来,我们也不敢放下百分之百的论断,只是提供一种接替“锂离子电池”的技术备选。

虽然名称近似,但“锂离子电池”和“锂空气电池”是全然不同的两个体系,所涉及的原理也大相径庭。“锂空气电池”这个概念,最早见于1970年代。它的核心原理,是让锂与空气中的氧气进行反应,将产生的能量直接转为电能。这就如同烧木头或烧煤炭,作为人类获取能源最普遍的方式,让原料与氧气直接反应,所带来的是极高的能量释放。

虽然前路漫漫,但锂空气电池却也在悄然生长,缓缓发展。

让我们从IBM“失败”之后开始叙述,看看在蓝色巨人倒下后,又发生了什么。首先,需要回顾一下锂空气电池的基本要点。一块锂空气电池,由负极(金属锂)、正极(空气中的氧气)和电解液组成。虽然只有简单的三个部分,但每一部分的研究都面临着巨大的挑战。以电解液为例。此前,常用于电池中的电解液是聚碳酸酯,它们不仅易燃易爆,而且在充放电时会不断侵蚀电极,基本上几次充放电后,一块锂空气电池就算报废了。

2012年,来自牛津大学的化学家彼得·布鲁斯提出把聚碳酸酯换成一种名叫二甲基亚砜(DMSO)的导电液体。这种新型电解液就不那么容易与电极发生反应。于是,他们成功地让锂空气电池稳定循环了100次。

然而,随着研究深入,很多人开始对这个电解液产生质疑。原因倒不是出自二甲基亚砜本身,而是源自一种锂空气反应过程的中间产物——过氧化锂(Li2O2)。

过氧化锂是一种强氧化剂,会把二甲基亚砜氧化二甲基砜,从而造成电池性能的极大衰减。有的研究组发现,因为这个氧化现象太严重,他们的电池循环了几十次后,整个电解液都变了颜色。人们甚至推测,布鲁斯的团队当初之所以循环100次,正因为这是二甲基亚砜保质的上限。随后的进展来自于美国阿贡实验室。这家老牌研究所诞生于二战时期,曾制造出人类历史上第一个可控核反应堆。

冷战之后,阿贡实验室的研究转向于能源方向,成为电池领域最受尊敬的机构之一。一个来自阿贡实验室的团队,通过将一种名为离子液体的材料与二甲基亚砜混合,成功地增强了电解液的稳定性。此外,他们还利用纳米技术,在原有电极的表面增加了一层保护膜。这两方面的设计,极大的降低了副反应的发生,这个团队成功地将锂空气电池的循环记录提高到了750次。

然而,研究电池的业内人士却选择沉默。

因为他们知道,无数问题仍然盘旋在锂空气电池领域。其中,最难过的坎,就是Li2O2的问题仍然存在。阿贡实验室的改进,只是减缓了这种强氧化剂腐蚀电极的速度,然而这个安全隐患,仍然蛰伏在锂与空气的反应之中。针对这一问题,人们要返璞归真到热力学的本质中去寻找答案。我们都知道,温度会对一个化学反应的进行产生巨大影响。如果将环境温度提高到150℃以上,那么,锂和氧气的反应就会优先生成氧化锂(Li2O)。

Li2O的氧化性就相对温和,对电极的腐蚀作用也要缓慢很多。然而,150℃啊!在这个温度下,作为有机物的二甲基亚砜,一定会起火爆炸。既然如此,我们就再换一种电解液吧。在近期《科学》杂志的一篇报道上,来自加拿大的科学家们,就使用熔盐作为电解液解决了这个问题,他们将两种硝酸盐(LiNO3和KNO3)混合,并加热到150℃。此时,这种混合物会融化成液态。

使用这个液态的熔盐,再配合上新设计的电极材料,居然成功规避掉了暴躁的Li2O2。在他们的实验台上,整个锂空气电池平稳运行了起来,而且中间产物全部是温和的Li2O。更令人欣喜的是,研究者发现这种全新的锂空气电池,表现出了更强的储能能力!

虽然储能能力变得更强大,但无论怎么看,150℃都不是一个友好的温度。很难想象,怎么将一个堪比铁板烧的电池放进手机后盖,或者坐在热腾腾的电炉子上开车通勤。

对于这一问题,研究者暂时也没有找到合适的应对方法,这无疑给锂空气电池的实际使用带来了障碍。旧技术,成熟与衰落;新技术,诞生与波折。电池的发展,无可幸免伴随着这些起伏与迷茫。一个问题的解决,又引出了另一个,甚至另几个新问题。在看不到尽头的往复中,锂空气电池,是否还能给人类一个储能的答案?拭目以待。

UUID: ec94c3a2-b496-4491-9643-37afe7a97aa2

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/中科院物理所公众号-pdf2txt/2018/中科院物理所_2018-10-07_「转」手机又没电,烦,说好的超长待机啥时候实现?.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0071 元