盤點新一代電池技術(shù):石墨烯/鋰空氣電池等
除了還原劑令人頭痛,氧化劑的選擇也沒有什么余地。如果不用過渡金屬,鹵素也顯然不行,那就只能選氧與硫。鋰空氣電池(鋰、氧)與鋰硫電池都有很多人研究,但進(jìn)展寥寥。除了IBM曾經(jīng)爆出過大新聞。
IBM旗下的 “電池500”項目,致力于使鋰空氣電池商用化。和目前商用的重金屬氧化物作為陰極的鋰電池不同,鋰空氣電池的負(fù)極是泡在有機(jī)電解液里面的碳棒,反應(yīng)物則是空氣中的氧氣。
這種反應(yīng)模式最大的優(yōu)點是無須自帶陰極氧化物,重量大大減輕,能量密度可以提升10倍,插電式電動車依靠這種電池可以一次行駛800公里,超過傳統(tǒng)動力車。不僅如此,鋰空氣電池也可以不進(jìn)行充電,直接更換正負(fù)極卡盒,算是一種新型的燃料電池。
既然使用空氣,該電池必須設(shè)計成開放系統(tǒng),電極和電解質(zhì)都暴露在空氣中,這使得人們始終無法維持這兩者的穩(wěn)定性,被當(dāng)做陰極的碳棒會與電解質(zhì)產(chǎn)生各種意料之外的副反應(yīng),導(dǎo)致負(fù)極迅速劣化。無論 “鋅空”到“鋰空”,都被嚴(yán)厲地批判過。
空氣-鋰電池作用原理圖
日本旭化成公司(Asahi Kasei)和中央硝子公司(Central Glass)在分離膜和電解液方面為該小組提供支持。
該小組嘗試將碳棒換為昂貴的納米金陰極,將陰極反應(yīng)液換成更不容易參與陰極反應(yīng)的有機(jī)液體。并聲稱獲得“充放電高達(dá)數(shù)百次而性能下降不明顯”的鋰空氣電池。但距離商用化,仍然有“很長的路要走”。
為了避免負(fù)極產(chǎn)生枝晶,即鋰離子在負(fù)極表面無序生長,需要加強(qiáng)捕獲鋰離子的手段。微宏公司也聲稱采用“多孔復(fù)合碳”作為負(fù)極材料,比表面積是傳統(tǒng)石墨的20倍以上,使鋰離子穩(wěn)定快速地遷移。
既然電池的正負(fù)極表面材料和結(jié)構(gòu)大有講究,為什么不利用近來突飛猛進(jìn)的納米技術(shù),用各種納米線、管、球、碗設(shè)計精細(xì)有序的表面結(jié)構(gòu)呢?
石墨烯就是其中的大新聞。盡管人們普遍對此懷有疑慮,因為聲稱以石墨烯為原料的鋰電池能量密度高達(dá)600wh/kg,是傳統(tǒng)動力鋰電池的5倍。一度有人將石墨烯技術(shù)當(dāng)做解決新能源車?yán)m(xù)航問題的終極方案??上Вl也沒有在可控成本上復(fù)制試驗室成果。
單層或者2層石墨烯確實很神奇:最薄、最堅硬、最導(dǎo)熱、最導(dǎo)電,簡直就是上帝賦予的材料。但只是看上去很美。
韓國研發(fā)石墨烯超級電容 電動汽車充電只需4分鐘
“接近完美”的石墨烯成本非常高昂,在2010年左右每克幾千元的售價,做成電池誰買?現(xiàn)在有公司聲稱將石墨烯的成本降低10倍,但仍然太貴。
即便不考慮成本,石墨烯很難分離到“完美”的1、2層,現(xiàn)有幾種方法分離出的石墨烯,充滿著官能團(tuán)和瑕疵,層數(shù)不一,電化學(xué)性能遠(yuǎn)不盡人意。
有人提出,像撒芝麻一樣,在導(dǎo)電劑中摻點石墨烯。但馬上就有唱反調(diào)的人站出來說,石墨烯做導(dǎo)電劑分散性,還不如廉價的碳家族兄弟。石墨烯很容易把從正極出發(fā)的鋰離子通道給堵死,反映到宏觀層面,就是這種電池充一兩次電之后就廢了。
石墨烯做負(fù)極,理論上最多是石墨負(fù)極兩倍的容量,而硅做負(fù)極的理論容量近石墨的10倍,石墨烯就是成本低了也玩不過人家。事實上如果只考慮能量密度的話,金屬錫更適合作為負(fù)極材料。但到現(xiàn)在為止也就索尼推出過“錫電池” (Sony nexelion 14430W1)。但是,錫電池的名氣遠(yuǎn)不如還未做出成品的石墨烯電池。
固態(tài)電池
電解液只為了電子有序遷移提供通路,本身并不能蓄能。如果沒有電解液,豈不能提高能量密度?能量載體的物質(zhì)密度,固體>液體>氣體。這是很容易理解的。
豐田在2010年展示出的固態(tài)電池技術(shù)
支持全固態(tài)電池的廠商聲稱,他們研發(fā)的對象規(guī)避了液態(tài)電池的種種弊端。作為技術(shù)關(guān)鍵,固態(tài)電池傳遞電荷的介質(zhì)(電介質(zhì))是各家電池公司的飯碗。盡管理論上可用氧化物、硫化物、氮化物作為固態(tài)電解質(zhì)材料,但無法實現(xiàn)液態(tài)電池那樣的傳導(dǎo)率。德國馬克思普朗克研究所開發(fā)的一種包含鋰、鍺、磷、硫的化合物,傳導(dǎo)率空前地高,但仍未能達(dá)到液態(tài)電池的水平。
所有固態(tài)電池廠家心知肚明的是,電池陰極和固態(tài)電解質(zhì)之間的轉(zhuǎn)移電阻過高,致使固態(tài)電池的功率密度還很低。同時,制造電池(其實是固態(tài)電介質(zhì))成本還非常高,因此距離商業(yè)化還有很長的路要走。
作為新能源技術(shù)領(lǐng)頭羊的豐田存在同樣的苦惱。公司高管必須做出決定,選擇看起來靠譜的那一個技術(shù)方向。在2010年,豐田推出了續(xù)航力達(dá)1000公里的電動車,用的就是固態(tài)電池技術(shù)。豐田還暢想在2020年將該技術(shù)商用化。但很快,豐田就將資金砸向氫燃料電池技術(shù),圍繞氫制備和存儲,建立了龐大的專利群。豐田的宣傳機(jī)器轉(zhuǎn)而宣傳“美好氫時代”。
日本“超級電池”容量可達(dá)鋰離子電池7倍
豐田從電動轉(zhuǎn)向“氫動”,鑒于豐田的地位,此舉直接打擊了固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)。一時間,幾乎所有廠家都本能地對固態(tài)電池持謹(jǐn)慎態(tài)度。當(dāng)豐田莫名其轉(zhuǎn)向時,有些整車廠甚至還沒有搞清楚,固態(tài)電池的瓶頸到底在哪里。
曾得到巴斯夫和通用投資的創(chuàng)業(yè)公司Sakti3,聲稱研發(fā)出擁有1100WH/L的能量密度的固態(tài)電池--相當(dāng)于主流鋰電池的4倍。Sakti3預(yù)測,固態(tài)電池電池的成本將“很快”降低至100美元/千瓦時。
而豐田曾公開表示,“在克服技術(shù)障礙的前提下”,全固態(tài)電池在2025年可以實現(xiàn)商業(yè)化,比鋰空氣電池早5年。但隨后豐田很快發(fā)現(xiàn),“技術(shù)障礙”是如此地強(qiáng)大,足以阻礙固態(tài)電池的技術(shù)前進(jìn)腳步。豐田選擇了另一條道路,所謂的“2025年固態(tài)電池”再也沒有被提及。
5年內(nèi)新能源汽車未來的產(chǎn)值將達(dá)到整個汽車工業(yè)的10%。有明確商業(yè)價值的新一代電池,會誕生在我們已經(jīng)提到的這些技術(shù)方案之中嗎?這是一個大概率事件。畢竟選擇就那么幾樣。不過,新技術(shù)很可能賦予它們新面目和可靠的競爭力。
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