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锂空气电池的发展

钜大LARGE  |  点击量:2167次  |  2019年06月29日  

1.锂离子电池瓶颈到来


近些年,关于锂离子电池的“打破”接连不断。“容量翻倍”“续航耐久”“快速布满”等关键词,不断撩拨大众的神经。


但随之而来的理性分析,又使这些浮华的修饰盎然失容。人们缤纷诉苦媒体标题误人,并没有真实处理现在的现状与困难。


当然,锂离子电池技术在不断行进。但从某种层面讲,锂离子电池早已徜徉在步履维艰的瓶颈阶段。


构成这一瓶颈的最底子原因,是所谓的“物理天花板”——锂离子电池存在理论的储能上限。


而且,很不幸,我们快要接近这个上限了。


依据技术翻开的“S型曲线”理论,一项技术大体是从出世、翻开到瓶颈,直到被另一项技术所替代。锂离子电池也逃不出这样的宿命循环。


当旧实力增加乏力的时候,新的实力总能异军突起,支撑起新的翻开。


在替代锂离子电池的许多技术中,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定论,只是供给一种替代“锂离子电池”的技术备选。


电池技术翻开的S型曲线


2.初显锋芒,锂空气电池步履蹒跚


尽管称谓近似,但“锂离子电池”和“锂空气电池”是全然不同的两个系统,所触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。它的中心原理,是让锂与空气中的氧气进行反应,将发生的能量直接转为电能。


这就好像烧木头或烧煤炭,作为人类获取动力最普遍的办法,让资料与氧气直接反应,所带来的是极高的能量开释。据核算,锂空气电池的能量密度能够达到每千克12000瓦时,这一数值几乎是锂离子电池的10倍,甚至接近了汽油的能量水平(每千克13000瓦时)[1]。


锂与空气的这看似简略组合,将电池技术的物理天花板,提升了整整一个数量级!


而且,它运用的氧气来自于空气,这部分资料近乎无限。


可是,工作注定不会如此简略。在这方兴未已的不和,潜藏着的,仍然是一篇混沌:锂空气电池中发生的反应过火杂乱,还伴跟着许多的副产品生成。甚至许多科学家们会感觉自己的研讨其实是“形而上学”。


2016年,来自美国和欧洲的几位锂空气的专家凑在一起,为《天然·动力》写了一篇介绍锂空气电池翻开现状的文章[1],里面开篇便是一句:


“在基础层面,我们对(锂空气)电池中的反应进程所知甚少。”


随后,又说:


“没人知道锂空气电池是否会成为一项技术,可是为了社会翻开和人类未来,我们应该尽力而为去根究(锂空气电池的)可能性”


也便是说,经历了近50年的翻开,这个领域中最出色的学者,面临世人时,却只能低声地叹息:“我们几乎一无所知”。


比起那些“充电10分钟,续航1000里”的报导,这肯定是一篇“谦虚”的论文。由于学者们都心里有数,人类在锂空气的研讨中现已栽了太多跟头。


有个业界的八卦,说是一位很有声望的科学家发了一篇锂空气电池的文章,达到了一个很棒的功用,可他人怎样也重复不出来。后来发现,他所做的锂空气电池中,发生反应的其实是集流体和电池壳,而不是预料的金属锂。究竟闹得为难收场。


甚至有些科研巨擘也难逃锂空气的咒骂。


从最早的移动原子到后来的量子核算,美国IBM公司在微观科学领域,能够说是执牛耳者。他们就曾想攻下锂空气电池这个山头。


IBM在2009年推出一项名为“Battery500”的方案,期望能开宣告一套让电动车行进500公里的锂空气电池。项目伊始,他们设想在2013年造出原型机,2020年完结商业化出产。


可是,2012年之后,“Battery500”就戛可是止了,很难在网上搜到其只言片语。假设不是IBM有意雪藏,那就只能阐明,这个方案已然阻滞。


也有传言说IBM并没抛弃,而是转向了其他方案。但这些江湖风闻,我们也只能姑且听之,真假难辨。


IBM官网关于"Battery500"项目的介绍,究竟一项研讨效果发表于2011年。图片来历:IBM.com


3.不断根究,迷雾中曙光初现


尽管前路漫漫,但锂空气电池却也在悄然生长,慢慢翻开。


让我们从IBM“失利”之后开始叙说,看看在蓝色伟人倒下后,又发生了什么。


首要,需求回想一下锂空气电池的底子关键。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。尽管只需简略的三个部分,但每一部分的研讨都面临着巨大的应战。


以电解液为例。此前,常用于电池中的电解液是聚碳酸酯,它们不只易燃易爆,而且在充放电时会不断腐蚀电极,底子上几次充放电后,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)基电解液。这种新式电解液就不那么容易与电极发生反应。所以,他们成功地让锂空气电池安稳循环了100次[2]。


可是,跟着研讨深化,许多人开始对这个电解液发生质疑。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进程的中心产品——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,然后构成电池功用的极大衰减。


有的研讨组发现,由于这个氧化现象太严峻,他们的电池循环了几十次后,整个电解液都变了色彩。人们甚至估测,布鲁斯的团队开始之所以循环100次,正由于这是二甲基亚砜保质的上限。


随后的展开来自于美国阿贡试验室。这家老牌研讨所诞生于二战时期,曾制造出人类历史上第一个可控核反应堆。冷战之后,阿贡试验室的研讨转向于动力方向,成为电池领域最受敬重的组织之一。


一个来自阿贡试验室的团队,通过将一种名为离子液体的资料与二甲基亚砜混合,成功地增强了电解液的安稳性。此外,他们还运用纳米技术,在原有电极的外表增加了一层保护膜。这两方面的规划,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载提高到了750次[3]。


这个重要的行进激发了媒体与大众的喜爱,一时间宣传案牍雨后春笋,甚至有人开始声称“锂空气电池的年代现已到来”。


可是,研讨电池的业界人士却挑选沉默幽静幽静。由于他们知道,许多问题仍然回旋扭转在锂空气电池领域。其间,最哀痛的坎,便是Li2O2的问题仍然存在。阿贡试验室的改进,只是减缓了这种强氧化剂腐蚀电极的速度,可是这个安全风险,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实质中去寻找答案。


我们都知道,温度会对一个化学反应的进行发生巨大影响。假设将环境温度提高到150℃以上,那么,锂和氧气的反应就会优先生成氧化锂(Li2O)。Li2O的氧化性就相对温文,对电极的腐蚀作用也要缓慢许多。


不同温度中,锂与氧气反应的自由能。[4]


可是,150℃啊!在这个温度下,作为有机物的二甲基亚砜,具有极大的爆破风险。


既然如此,我们就再换一种电解液吧。在近期的《科学》杂志上,来自加拿大的科学家们,运用熔盐作为电解液处理了这个问题,


他们将两种硝酸盐(LiNO3和KNO3)混合,并加热到150℃。此刻,这种混合物会融化成液态。运用这个液态的熔盐,再配合上新规划的电极资料,居然成功躲避掉了浮躁的Li2O2。在他们的试验台上,整个锂空气电池平稳运行了起来,而且中心产品全部是温文的Li2O。更令人欢欣的是,研讨者发现这种全新的锂空气电池,表现出了更强的储能才调!


不同中心产品对锂空气电池的影响示意图。[5]


尽管储能才调变得更健壮,但不管怎样看,150℃都不是一个友善的温度。很难梦想,怎样将一个堪比铁板烧的电池放进手机后盖,或许坐在热腾腾的电炉子上开车通勤。关于这一问题,作者也暂时没有适宜的应对办法,这无疑给锂空气电池的实践运用带来了妨碍。


4.结语


旧技术,老到与式微;新技术,诞生与曲折。电池的翻开,无可逃过伴跟着这些起伏与苍茫。一个问题的处理,又带出了另一个,甚至另几个新问题。


在看不到止境的往复中,锂空气电池,是否还能给人类一个储能的答案?


拭目以待。


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