鋰電池在我們的生活中到底扮演著一個(gè)什么樣的角色呢？
不知道您閑暇時(shí)分有沒(méi)有思考過(guò)類似的問(wèn)題。但即便對(duì)此一無(wú)所知，看看您手上握著的手機(jī)，大概心里也會(huì)有個(gè)底兒。除非是立志要過(guò)原始化的生活，否則鋰電池就肯定會(huì)在您的生活中占據(jù)一席之地。
好的，這個(gè)很確定，那鋰電池有沒(méi)有什么是困惑到您的呢？可能很多人會(huì)一拍大腿，道出“續(xù)航”二字。作為“不玩手機(jī)就會(huì)死星人”，這個(gè)大概是關(guān)系到生命的大事。
那有沒(méi)有什么辦法能很好地解決手機(jī)或是其它需要使用到鋰電池的設(shè)備的續(xù)航問(wèn)題呢？答案是暫時(shí)還沒(méi)有。
其實(shí)，目前存在于實(shí)驗(yàn)室中的一些電池“號(hào)稱”能解決這個(gè)問(wèn)題，但是無(wú)法商用就約等于不存在。當(dāng)然，種種瓶頸在未來(lái)都會(huì)引刃而解。我們不妨先一睹為快，看看這些前沿鋰電池技術(shù)及其“虎視眈眈”的對(duì)手們上演一場(chǎng)精彩絕倫的科技大戰(zhàn)吧。
1、全固態(tài)鋰電池
中國(guó)工程院陳立泉院士曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“下一代鋰電池應(yīng)是全固態(tài)鋰電池，如果現(xiàn)在還不布局全固態(tài)鋰電池，將會(huì)錯(cuò)失發(fā)展時(shí)機(jī)。”
全固態(tài)鋰電池之所以稱為“全固態(tài)”是因?yàn)槠潆姌O和電解液都是固態(tài)的。全固態(tài)電池有一個(gè)很突出的優(yōu)點(diǎn)，安全性比液態(tài)鋰電池要高許多，不易發(fā)生爆炸，而且其功率重量比較高，可以有效地縮小體積，所以業(yè)內(nèi)認(rèn)為它是電動(dòng)汽車?yán)硐氲膭?dòng)力來(lái)源之一。
除安全性較傳統(tǒng)鋰電池優(yōu)越外，全固態(tài)鋰電池還有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，就是充放電循環(huán)壽命很長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)45000次，并保存95%的初始容量，這點(diǎn)讓其它種類電池望塵莫及。
年初Sakti3公司曾獲得戴森公司1500萬(wàn)美元的研發(fā)投資資金，就是與固態(tài)電池相關(guān)。Sakti3聲稱已制造出能量密度達(dá)每公升1.1kWh（即550Wh/kg）的電池，這一能量密度要比鋰離子電池高出約50％，能讓電動(dòng)車的續(xù)航里程從256英里（約412公里）提升到480英里（約772公里），但這一數(shù)據(jù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)獨(dú)立測(cè)試。
這么牛的電池為何不能商用呢？目前瓶頸主要存在如下：
1、室溫電導(dǎo)率普遍較低（<10-3S/cm），電池倍率充放電性能較差；
2、固態(tài)電解質(zhì)/電極間界面阻抗大，界面相容性較差，界面鋰離子電導(dǎo)率較低，固態(tài)電解質(zhì)在充放電過(guò)程中體積膨脹和收縮，導(dǎo)致界面容易分離；
3、低溫性能仍然有待進(jìn)一步提高；
4、有待設(shè)計(jì)和構(gòu)建與固態(tài)電解質(zhì)相匹配的電極，研究和開發(fā)出適合于固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池體系。
2、鋰硫電池
鋰硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池，基于硫與鋰之間的可逆電化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存和釋放。其理論比能量可達(dá)2500 Wh/kg（能量密度為1675mAh/g），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前商用的鋰離子電池。而且值得一提的是，硫的成本較低，并且對(duì)環(huán)境友好，基本不會(huì)造成污染。所以鋰硫電池是一種非常有前景的鋰電池，有望被應(yīng)用于動(dòng)力電池、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。
但是，鋰硫電池的應(yīng)用難度與其優(yōu)點(diǎn)一樣為眾人所知，主要存在以下三個(gè)問(wèn)題：
1、鋰多硫化合物溶于電解液，可能降低硫電極的穩(wěn)定性；
2、硫作為不導(dǎo)電的物質(zhì)，導(dǎo)電性非常差，不利于電池的高倍率性能；
3、硫在充放電過(guò)程中，體積的擴(kuò)大縮小非常大，有可能導(dǎo)致電池?fù)p壞。
解決的方法要從電解液和正極材料兩個(gè)方面入手，科學(xué)家門正在研究中。
鋰硫電池最大的意義是能真正提升電池容量是，相信很快，我們便不會(huì)為尷尬的智能手機(jī)續(xù)航力而煩惱了。
3、石墨烯鋰電池
現(xiàn)如今，電動(dòng)車?yán)m(xù)航成為人們最頭痛的問(wèn)題之一，就連業(yè)界巨頭特斯拉的Roadster升級(jí)版跑車都僅能達(dá)到644公里的續(xù)駛里程，如果此時(shí)有人告訴你：“有這么一種電池，一次充電時(shí)間只需8分鐘，可行駛1000公里。”相信很多人都會(huì)驚呆了，這種電池就是石墨烯電池，因?yàn)樾阅鼙牒?，所以被喚?ldquo;超級(jí)電池”，甚至被“妖魔化”。
相信大家都知道石墨烯是什么，這里就不贅述了。重點(diǎn)是石墨烯的結(jié)構(gòu)可以改變鋰電池技術(shù)長(zhǎng)期沒(méi)有突破的障礙。石墨烯陽(yáng)極材料比如今鋰離子電池中慣用的石墨陽(yáng)極充電或放電速度快10倍。“超級(jí)電池”參數(shù)顯示，其能量密度超過(guò)600wh/kg，是目前動(dòng)力鋰電池的5倍；使用壽命是目前鋰電池兩倍；其成本將比目前鋰電池降低77%。
石墨烯的導(dǎo)電性很好，可以提升充電速度，減少充電時(shí)間，宏觀上可以大范圍減少充電站和充電樁的需求。以目前全球領(lǐng)先地位的特斯拉Model S P85D為例，其通過(guò)大功率的超級(jí)充電站充電，也要80分鐘才能充滿，車主等充電的時(shí)間仍然是一次煎熬。
鋰電池傳統(tǒng)制造強(qiáng)國(guó)是日本和韓國(guó)，在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術(shù)先機(jī)，韓國(guó)科學(xué)家早在去年11月就宣布，最新發(fā)明的石墨烯超級(jí)手機(jī)電池，可存儲(chǔ)與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時(shí)間只需16秒。而我國(guó)的石墨烯電池是今年三月份才上市，而且是否代表石墨烯的“商用”仍有待商榷。
從2004年面世至今，石墨烯一直處在風(fēng)口浪尖上，但其若真是突破了技術(shù)限制，被運(yùn)用在電池上，那“顛覆”二字的確是擔(dān)得起的。
4、鋰-空氣電池
現(xiàn)在跟大家講一下最牛的前沿鋰電池。
麻省理工學(xué)院曾發(fā)表過(guò)一篇闡述電池領(lǐng)域?yàn)楹螞](méi)有取得突破的文章，并提到了最有可能成為下一代電池技術(shù)的選擇。一個(gè)是上面介紹的鋰硫電池，還有一種就是鋰-空氣電池。鋰-空氣電池的理論能量密度能達(dá)到鋰離子電池的十倍，它是迄今為止能量密度最大的儲(chǔ)能器件，和汽油相當(dāng)。
一塊鋰-空氣電池可使汽車輕松行駛350英里以上，不需消耗汽油，并且相比于傳統(tǒng)電池體積更小也更便宜。但是很難使得鋰空氣電池的電池容量接近理論值，其氧化薄膜的關(guān)鍵問(wèn)題也沒(méi)有得到解決。
眾所周知鋰-空氣電池兩個(gè)最大的問(wèn)題是效率低以及不能多次充放電。當(dāng)鋰離子和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成鋰氧化物時(shí)，鋰-空氣電池產(chǎn)生電流。而鋰-空氣電池的充電過(guò)程則涉及到該反應(yīng)的逆反應(yīng)--鋰氧原子間的化學(xué)鍵斷裂，并且釋放氧氣。致命問(wèn)題在于生成的鋰氧化物會(huì)覆蓋在電池電極上，從而隔絕了電極與催化劑的接觸，進(jìn)而減緩反應(yīng)進(jìn)程。
如此說(shuō)來(lái)，全固態(tài)鋰電池可能比鋰-空氣電池商用的時(shí)間要早得多。
我們上面介紹了鋰電池界的“四大金剛”，接下來(lái)就看看和它們分庭抗禮的另外四種電池。
1、鋁離子電池
本年度4月份，電池世界發(fā)生了一次“強(qiáng)震”。如果您稍有了解，就會(huì)知道小編接下來(lái)要說(shuō)的是鋁離子電池。
美國(guó)斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組當(dāng)時(shí)發(fā)表了關(guān)于鋁離子電池的論文。據(jù)介紹，這種鋁離子電池能實(shí)現(xiàn)快速充放電，且循環(huán)次數(shù)高達(dá)7500次后容量仍毫無(wú)損失，性能遠(yuǎn)超普通鋰電池（一般為300次）。另外，這種鋁電池具有高效耐用、可超快充電、低可燃性、高安全性、低成本等特點(diǎn)。
一石激起千層浪，專家和媒體一致認(rèn)為這是電池行業(yè)的重大突破。據(jù)悉，新研制的可充電鋁電池要比被國(guó)際多家航空公司明文“禁運(yùn)”的鋰離子電池要高得多，鋁電池不會(huì)爆炸。另一方面，目前配備鋰離子電池的智能手機(jī)充電可能需數(shù)小時(shí)，但使用這種鋁電池，為手機(jī)充滿電只需一分鐘。
不過(guò)，新鋁電池產(chǎn)生的電壓僅為傳統(tǒng)鋰電池的一半，研究小組希望能通過(guò)提升正極材料的性能，最終提高鋁電池的電壓并增加能量密度。
而由于作為電解液的等離子液體成本較高，因此這種新型鋁電池距離生產(chǎn)還有一定的距離，商業(yè)上可行的鋁電池也尚未問(wèn)世。但毋庸置疑的是，鋁離子電池前景廣闊，如果能及早投放市場(chǎng)，一定會(huì)深受消費(fèi)者喜愛(ài)。
2、鋁-空氣電池
接下來(lái)這一位又是鋁電池，但細(xì)分下來(lái)，它屬于是金屬-空氣電池。
2014年，Alcoa（美鋁公司）和以色列Phinergy公司在位于蒙特利爾的維倫紐夫賽車場(chǎng)對(duì)一臺(tái)電動(dòng)車進(jìn)行了測(cè)試。本來(lái)是很稀松平常的一件事，但后面的結(jié)果十分驚人。這輛測(cè)試車在搭載了兩家公司聯(lián)合開發(fā)的鋁-空氣電池后，續(xù)航里程增加到994英里（約合1600公里）！
這是什么概念呢？抗日神劇中的800里（北京到呼和浩特的直線距離）射程的4倍就是1600公里！相關(guān)資料顯示，鋁-空氣電池的理論比能量可達(dá)8100Wh/kg，2014年的鋁空氣電池的實(shí)際比能量只達(dá)到350Wh/kg，但也是鉛酸電池的7～8倍、鋰電池的2.3倍。采用鋁-空氣電池后，車輛能夠明顯地提高續(xù)駛里程。
這是能秒殺所有電池的數(shù)據(jù)，小編也不得不多向大家介紹這種電池。
鋁空氣電池還有方便維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。按照現(xiàn)在的技術(shù)方案，鋁-空氣電池主要是作為鋰電池的補(bǔ)充電源，用戶只要每一到兩個(gè)月注入自來(lái)水以支持化學(xué)反應(yīng)，每年讓技術(shù)人員對(duì)它進(jìn)行一次保養(yǎng)即可。據(jù)稱該電池的壽命可達(dá)20到30年。而且，100公斤重的鋁-空氣電池可儲(chǔ)存供行駛3000公里的足夠電量，只需每月加注清水。相比之下，業(yè)界驕傲的特斯拉Model S的電池超過(guò)500公斤，而行駛里程不到500公里。
但是，鋁-空氣電池在放電過(guò)程中陽(yáng)極腐蝕會(huì)產(chǎn)生氫，這不僅會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極材料的過(guò)度消耗，而且還會(huì)增加電池內(nèi)部的電學(xué)損耗。直白一點(diǎn)地講，100公斤重的鋁空氣電池行駛完3000公里后，電池的壽命就結(jié)束了，需要重新安裝，即補(bǔ)充金屬鋁。這成為鋁-空氣電池的商業(yè)化進(jìn)程的最大障礙。
另外，鋁-空氣電池的副反應(yīng)較多、反應(yīng)過(guò)程不易控制，部分反應(yīng)生成物一定程度上阻礙反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，釋放大量熱，同時(shí)產(chǎn)生易燃易爆氣體。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，鋁空氣電池更適合作為續(xù)航備用電池，也就是說(shuō)，一輛電動(dòng)汽車的標(biāo)配能量應(yīng)該是，實(shí)際使用中取鋁空氣電池所長(zhǎng)，獲得更長(zhǎng)的續(xù)駛里程，同時(shí)也要補(bǔ)鋁空氣電池所短，配一個(gè)功率型的電池，使車輛具備不錯(cuò)的動(dòng)力性能。
3、鈉離子電池
業(yè)界一直在討論鋰離子電池的繼任者到底是什么？而有部分專家認(rèn)為是鈉電池。
鈉離子電池之所以受到關(guān)注，是因?yàn)樽鳛槠渲鞑牧系拟c資源幾乎取之不盡用之不竭，制造成本不到鋰電池三分之一。而且這種電池兼具單位體積存儲(chǔ)能量多和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可持續(xù)5千次充放電循環(huán)，效率超過(guò)85%，據(jù)說(shuō)可以將傳統(tǒng)鋰電池的續(xù)航能力提升7倍。
日本科學(xué)家正在研發(fā)全新材料的鈉離子電池，與傳統(tǒng)智能手機(jī)中的鋰電池完全不同?，F(xiàn)階段的鈉電池已進(jìn)入實(shí)用化階段，但這種電池工作時(shí)需加熱到250攝氏度以上，以使其正極的硫和負(fù)極的鈉處于熔融狀態(tài)，保持電池內(nèi)部的低電阻。鈉離子電池最大的缺點(diǎn)之一是電池的充、放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)緩慢的放電速率不能給大功率設(shè)備輸出足夠的功率密度。一般而言，在充、放電速率和容量之間有一個(gè)權(quán)衡，以便在提高充、放電速率的同時(shí)不會(huì)顯著降低電池容量。
鈉離子尺寸比鋰離子大了25%。更大的尺寸使鈉離子很難嵌入發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所在的電極晶體結(jié)構(gòu)中。因此鈉離子的移動(dòng)速率就比較慢，這成為了鈉離子電池充、放電速率慢的根源。與該問(wèn)題相關(guān)的還有電荷傳輸速率和材料的穩(wěn)定性也需要提高。
4、鎂電池
通常情況下，鎂離子都以2價(jià)正離子（Mg2+）的形態(tài)存在，這意味著它如果在電池中充當(dāng)“搬運(yùn)工”的話，每次最多可攜帶兩枚電子。所以，理論上來(lái)講，如果兩塊電池分別使用了同等密度含量的鎂離子和鋰離子，使用鎂離子作為傳遞電子介質(zhì)的電池能量存儲(chǔ)密度將是鋰電池的兩倍（鋰離子是+1價(jià)）。
但是瓶頸在于當(dāng)鎂離子和兩個(gè)負(fù)1價(jià)的電子結(jié)合時(shí)，整個(gè)原子核就擁有了兩倍的負(fù)電荷，而負(fù)電荷量越多，吸引其他鎂離子的能力也就越強(qiáng)。因此，當(dāng)鎂離子攜帶著兩倍的電荷，要在充滿電解液的兩極之間運(yùn)動(dòng)的話，速度自然慢了很多。電腦模型顯示電解液中的鎂離子只會(huì)受到相鄰四個(gè)其他離子的影響。
鑒于此，未來(lái)如果要研發(fā)能量存儲(chǔ)密度更高的鎂離子電池，挑選一種既能發(fā)揮電池全部功能同時(shí)也有利于鎂離子移動(dòng)的電解液，便成了當(dāng)務(wù)之急。
除了上面提到的優(yōu)勢(shì)之外，相比鋰，金屬鎂的開采成本較低，同時(shí)利用價(jià)值卻很大。豐田目前已經(jīng)在相關(guān)技術(shù)上投入了巨資，而特斯拉CEO馬斯克也曾多次在公開場(chǎng)合表態(tài)，特斯拉及其超級(jí)電池工廠已經(jīng)做好了“擁抱”鎂電池的準(zhǔn)備。從傳統(tǒng)鋰電池到鎂電池的轉(zhuǎn)型，在電池設(shè)計(jì)方面并不會(huì)受到太大的影響，工廠只需更新相應(yīng)的流水線作業(yè)工具，即可輕松造出兩倍能量密度的特斯拉鎂電池。
結(jié)語(yǔ)：
或許看到這么多前沿的電池技術(shù)，再看看現(xiàn)在的手機(jī)和電動(dòng)汽車的續(xù)航會(huì)有一陣眩暈感，但科技的進(jìn)步往往是厚積薄發(fā)。一蹴而就是只存在于理想世界的詞語(yǔ)，我們還是期待科學(xué)界早日的突破吧。