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锂电池或被替代?美科学家发现氟有可能替代锂

胜天 2020-12-15 15:05:36

锂电池或被替代?美科学家发现氟有可能替代锂


日前,我们从相关渠道获悉,据外媒报道,圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的材料科学家们在氟中发现一种潜在的锂替代品,氟的储量相对丰富,或对于降低动力电池成本有所帮助。


随着以新能源汽车为代表的技术对于动力电池的需求越来越多,研究人员一直在寻找锂离子替代材料,以用于动力电池等诸多方面。


据悉,该机构研究人员采用新方法设计氟离子电池。他们发现两种材料,很容易获得或失去氟离子,在实现良好循环性的同时结构变化很小,这些新电池材料均为层状电子化合物。


电子化合物作为新材料,可以像普通金属一样传导电子,但与普通金属不同,在电子化合物中,电子驻留会停留在特定位置,从而保持整体的性能和稳定性。据预测,氟离子的加入不会导致晶体结构发生明显变形,从而实现可循环,由于层状电子化合物的结构相对开放,氟离子也可以轻松地移动或扩散。


但从化学特性来说,氟离子与锂离子是相反的,其很容易发生电化学反应,虽然氟离子电池或可使电动汽车单次续航达1000公里。但目前其也有着明显缺点,就是循环性能较差,反复充电会使其性能快速下降。


对于制造耐用的氟化物电池而言,尽可能减少体积和形状变化至关重要。相关研究人员表示:使用层状材料添加去除氟离子可以使结构变化较小,有助于延长循环寿命,此前本田、丰田等汽车厂商也有研发氟离子电池的消息传出,更多消息我们也将持续关注。


锂电池或被替代?美科学家发现氟有可能替代锂


目前的几十年锂电池真的可以被取代吗?


自从20世纪中期计算机芯片发明以来,技术就一直在飞速进步,我们可以用一个故事来讲述:摩尔定律。每2年芯片中的晶体管数量就会翻倍,其它技术也在进步,最终使得处理器的性能每隔18个月翻一倍。从摩尔定律被定义的那天起,到现在已经40多年了,它一直没有被打破。一代人在电子领域创造了惊人的进步,摩尔定律很好地诠释了这些进步;在摩尔定律的推动下,智能手机已经进入到亿万人的口袋,它比几十年前最好的电脑还要强大几千倍。再看看设备中使用的电池,它的发展完全和摩尔定律不匹配。1991年索尼率先将锂电池商用,到今天这门技术并没有明显的改变。汽车使用的技术更为古老,内燃发动机的基本设计、车用铅酸电池几十年都很少改变。


纵观设计的历史,大多时候企业们根本没有改变的欲望,行业一直运行得很好,我们很少去考虑电池。回看2000年时,手机充一次电可以用好几天。然而在过去的10年里,我们已经进入了智能手机时代,电池的不足开始变得严重起来。与9年前乔布斯发布的iPhone相比,苹果最新的手机强大16倍,但它的续航时间仍然不到一天。


新老手机之所以性能差距如此之大,主要归功于工程进步,它是通过提高处理器效能实现的,而不是因为电池更好。至于毫安时(在一定的放电时间下完全放电产生的电流),iPhone 6s只比2007年第一代iPhone提高了22%。


锂电池或被替代?美科学家发现氟有可能替代锂


锂电池挑战


设计锂电池很简单。当电池充电时,电子流通过电路传送到负极,吸引电解质溶液中的锂离子(一种可带电粒子)。当我们使用电池时,离子会通过溶液转移到负电极,它会释放电流给设备充电。


这是相当基本的化学过程,结果就是很难改进。只有几种元素可以使用,而事实证明锂是最适合的。要改进电池,办法就是改变电极和电解质的化学成份,但改进是逐步进行的,而且随着时间的推移改进会越来越难。尽管富有的科技公司不断向电池投入资本,每年电池的性能仍然只能提升5%。事实上,许多电池制造商发现要提升电池效能,最好的办法就是增加体积,让它有更大的空间容纳更多的离子。


对于许多人来说,这样的办法显然不够好。智能手机最开始只是日常生活的重要部分,现在成了我们的基本需求。我们用它来支付钱款,用它来通信,用它来导航。如果手机不能用,我们会很心烦。这还不算什么,当电动汽车、抢救生命的健康设备没有电时后果更严重。照预测,太阳能将是未来的主要能源,如果没有太阳,就需要电池拥有很大的存储容量才行。


替代产品


人们对电池越来越依赖,受到需求的推动,企业投入大量的时间和金钱开发锂电池替代产品。


去年,剑桥大学科学家宣布获得巨大突破,它们开发了“锂空气”(lithium-air)电池,科学家宣称新电池的性能是现有锂电池的10倍。新技术直接使用空气中氧气的部分电子,而不是使用存储在电池一端的电子,他们宣称电池的性能可以大幅提高,充电一次可以让一辆电动汽车从伦敦开到爱丁堡。


剑桥科学家将这种“锂空气”电池称为“终极电池”,其实这种设计几十年前就出现了,但传统的过氧化锂设计被证明是不稳定的,而且不支持多次充电。采用新的化学成份替代氢氧化锂能减少耗电化学反应的次数,使得电池可以反复充电2000次以上。


美国伊利诺斯州阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的研究者上周宣布取得突破,他们推出了超氧化锂物电池,新技术解决了其它锂空气电池的许多主要难题。新设计还要几年才能投入商用,可能至少需要10年时间。


还有一个方案也许同样行得通:不去开发更好的电池,而是寻找更好的方法提供能量。英国Intelligent Energy公司宣称在不久的将来可以在消费电子产品上使用氢燃料电池。


Intelligent Energy公司CEO Henri Winand说,采用新技术开发的原型电池能够让智能手机连续用上一星期,可以让无人机飞几小时而不是30分钟。它不需要充电,燃料电池可以在内部互换。公司还与Suzuki合作开发搭载燃料电池的滑板车,它还与一家新兴智能手机商开发使用燃料电池的产品。魏南德说:“以后我们不用再按照电量来安排生活。”他说采用燃料电池的手机还有18个月就会出现。


对于依赖电池的消费者和企业来说,这样的速度还是不够快,燃料电池可能需要好多年才能形成主流。同时,一些技术企业仍然在投资锂电池技术,它们认为短期之内这是最好的选择。


放眼全球,有许多企业大规模使用电池,特斯拉是其中的一个,它投资近50亿美元在美国内华达建造锂电池工厂。还有一些消费电子企业拒绝依赖突破性技术,它们转而重视无线充电技术或者快速充电技术,只需要半小时或者一小时就可以将电池从0充到60%。


即使是最有希望的新电池暂时也还不可能取代锂电池,新电池还需要多年的测试,需要法律的许可,然后才能进入到汽车和手机中。不论谁赢得竞争,它的电池都将是本世界最大的突破之一。

来源:易车、看看优

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