锂电池技术为何难以突破

2013年01月27日 14:18:05 苏内容
  标签: 锂电池
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在过去的23年时间里,人们并非毫无创新,全球各地的研究人员从未放弃研发新型电池技术。2014年更是取得了一系列突破,在充电效率、电池容量、发热冷却等方面,传统的锂电池也已经表现得越来越好,很多新的电池技术似乎也已经看到了商用曙光。

但直到现在,电池的使用时间仍然很难让人满意,电池技术依旧是所有电子设备进化的最大瓶颈,而且从产业化的角度来看,电池技术距离革命性突破,仍有一段不小的距离。

鱼和熊掌不能兼得

电池技术为何难以出现革命性突破?主力军锂离子电池到底出了什么问题?

锂的原子序数是3,这意味着它有三个质子,是最轻的碱金属元素,这让它成为已知材料中最适合用来制备可移动电池正极的材料。

当然,除了锂,锂电池中还包括磷酸铁、锰、石墨、钛酸盐等其他金属和非金属材料。和更早的镍电池相比,锂电池更小、更轻、能量密度更高,用了不到15年时间就替代镍电池,成为当下主流的电子设备电池技术。

但其也存在不少问题,最主要的是发热。锂电池充电和放电的过程中,在高密度的空间内部会产生大量的热量。

对于智能手机等小型电子设备来说,由于容量限制,发热带来的麻烦还不算大,依靠手机内部的导热设计基本能解决散热问题,但对于特斯拉电动车这种底盘铺满数千块锂电池的大家伙,就必须采取相应的冷却措施。

这就是为什么几乎所有电动汽车或者混合动力汽车的锂电池组上,都附带了体积庞大的液态冷却设备,不过即便如此,某些电动车电池爆炸起火的事故还是时有出现。

锂电池中锂离子的数量是固定的,想要更长久的电池使用时间,就必须增加电池数量,但这又意味着更重的设备、更大的发热量以及更高的过热爆炸可能性。如果想要更安全或者更便携,就必须牺牲电池数量和使用时间。

换掉锂电池

顺着这个思路,研究人员想到的一个突破方向,就是寻找更安全、能量密度更高的材料,换掉锂电池。

空气很可能会成为那个更好的选择之一,不久前,以色列一家科技公司研发出了使用铝和空气作为电极的新型电池,这种电池可以利用空气中水分子与铝产生化学反应并放电。

事实上,这种金属-空气的电池技术早在上世纪60年代就已问世,它的原理是以99.9%高纯度的铝为阳极,水分子中的氧为阴极,利用水溶液作为电解质,让铝板摄取氧,完成放电过程。

在整个化学过程中,最终的产物是氢氧化铝,所以这种电池技术看起来更稳定更安全,而且铝-空气电池的能量密度也大大高于等质量的锂电池,理论能量密度能达到8.1千瓦时/千克。目前特斯拉电动车所使用高能锂电池,能量密度也只有约0.3千瓦时/千克。

另一个同样在电池技术领域流行的突破思路是,如果不能换掉锂电池,那就换一种充电方式。

目前最有希望被普及的另类充电方式,是无线供电技术。请注意,这里所说的不是早些年手机厂商们推出的带着托盘的无线充电手机,而是效率更高的无线供电技术。

如果从原理上看,无线充电和无线供电其实没有太大的差别,两者都是利用电磁感应、共振或耦合原理。它最早源自19世纪90年代交流电之父尼古拉·特斯拉的设想,他提出可以利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷,线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振,从而实现电能的高效传输。

形象一点的说法,就和高音歌唱家有可能把某个相同振动频率的玻璃杯唱爆是一个道理,只不过电磁感应和共振不至于把电子设备震爆。

与无线充电相比,无线供电的优势在于突破了距离上的限制。美国一家公司正在做的传输器解决方案,最远的电能传输距离已经可以达到10米。

尽管和动辄数百米的无线网络相比,无线供电的传输距离还有些短,但至少在技术层面,实现无线供电,就已经算是走出了第一步。

更大的难题

那么,为什么人们还没有在机场、酒店或者咖啡店看到类似无线网络的无线电源热点?

事实上,无线供电普及的最大障碍,并不是传输距离还不够长等技术难题,而是市场上各种电子设备的无线供电标准兼容难题,这已经超出了科研人员所能控制的范畴。

就像高音歌唱家的例子,如果各个杯子的振动频率都不一样,想要所有的杯子都能被唱爆是不可能的。

不过,2008年国际上多家行业内的公司和协会,已经成立了无线电力传输国际标准联盟,致力于统一无线供电的技术标准,联盟的一位中国公司成员说,出台一个类似于WiFi的统一标准时间应该不会太遥远。

相比而言,替换掉锂电池的新型电池技术方案就要艰难得多。最有希望的金属-空气电池技术至今仍有很多实际的问题需要解决,比如使用过程中,需要定期往电池组里加水,而且它是不可充电电池,铝板完全氧化反应成氢氧化铝后,就必须重新更换铝板。

这无疑会加大成本,阻碍金属-空气电池技术投入使用,不过好消息是研究人员正在努力延长铝板氧化反应时间、降低铝板回收利用成本,争取尽早将这项技术商业化。

美国凯特琳大学莫特工程科学中心研究员凯文认为,即便在技术层面已经达到商业化要求,将它们制成适合各类电子设备的成品大规模应用,又会是另外一个漫长的等待过程。如果没有特殊的爆发诱因,至少最近5年,人们很难看到真正成熟的革命性电池技术。

《财经国家周刊》记者 陈荣 

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