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新材料不断产生 锂电池未来会更精彩

浏览次数:100 发布日期:2019-11-09

前段时间2019年诺贝尔化学奖颁给了美国德州大学奥斯汀分校约翰·古迪纳夫、美国纽约州立大学宾汉姆分校斯坦利·威廷汉和日本旭化成株式会社吉野彰三人,以表彰他们对锂离子电池研发的卓越贡献。那么,锂电池是如何研发出来的?未来的发展将会怎样?

1 没有锂电池就没有移动智能生活

我们早已生活在一个“可充电的世界”,但真正带来电子设备便携化,开启了现代移动生活的则是锂电池。可以说,如果没有锂电池,就没有我们现在的移动智能生活。

锂电池因重量轻、可充电、功能强大且便携,被广泛应用于从手机到笔记本电脑等各个领域。它在全球范围内用于为便携式电子设备供电,我们使用这些便携式电子设备通讯、工作、学习和娱乐。

锂电池还促进了长续航电动汽车的开发以及来自可再生能源(例如太阳能和风能)的能量存储,为实现一个无线(可移动)、无化石燃料的社会打下基石。可以说,锂离子电池作为能源存储器件,彻底地改变了人类的生活。

此次诺贝尔化学奖授予三位锂电领域的科学家,是对每一位为锂电池从无到有、从实验室走向商业化做出贡献的锂电从业者的认可,是对仍在从事锂电研究和志在继续推动清洁、便携社会发展的人们的激励。

2 石油危机直接促成了锂电池研发

20世纪70年代,石油危机直接促成了锂电池研发。美国石油巨头埃克森公司判断,石油资源作为典型不可再生资源,将在不久之后面临枯竭,于是组建团队开发下一代替代石化燃料的能源技术。

而锂电池就是人们提出的新型电池之一。当时,供职于埃克森公司的斯坦利·威廷汉提出了一种全新的材料二硫化钛作为正极材料,可以在分子层间储存锂离子。当其与金属锂负极匹配时,电池电压高达2V。

然而,由于金属锂负极活性高,带来极大安全风险,这种电池并未获得推广。但科学家们并未放弃探索,既然问题出在电极材料上,或许替换电极就能解决问题。

当时在英国牛津大学的无机化学实验室担任主任的古迪纳夫推断,采用金属氧化物替代硫化物作为正极,可以实现更高电压,改善锂离子电池的性能。

1980年,古迪纳夫用钴酸锂作为电池正极,可将电池的电压提高到4V。钴酸锂的横空出世是锂离子电池领域的极大突破,它至今仍是便携式电池的主力正极材料。

3 上世纪90年代出现首个商用锂电池

但受制于金属锂负极的不稳定特性,当时锂离子电池的安全性仍是严重的问题。1985年,日本科学家吉野彰采用石油焦替换金属锂作为负极,用钴酸锂作为正极,发明了首个可用于商业的锂离子电池。1991年,日本索尼公司发布了首个商用锂离子电池。

经过三十多年的工业化发展,锂离子电池的能量密度、成本和安全性取得了长足进步,并深入到我们生活的方方面面。

在目前广泛使用的商用锂电池中,锂离子在以特殊层状材料作为电池正负极的“主人”家里,随意地来回“串门”,以完成电池充放电工作。

需要指出的是,虽然锂离子这个嵌入与脱嵌的“串门”过程,并不影响“主人”家里的物质结构,但整个过程仍是化学反应而非物理反应。

4 锂电池还有很大发展空间

今年的诺贝尔化学奖授予锂电池领域,是对这个行业巨大的肯定和激励。锂电池从诞生发展到应用推广,当下仍面临着诸多艰巨的挑战。

从1991年索尼公司商业化生产第一批锂离子电池至今,上述锂离子来回“串门”的“摇椅式电池”成了最有前途和发展最快的市场。但受制于锂离子电池原理的限制,现有体系的锂离子电池能量密度已经从每年7%的增长速率下降到2%,并正在逐渐逼近其理论极限。与之相反,随着社会进步,人们对便携、清洁生活的需求更加强烈。

采用更少质量储存更多电量的电极材料,有望构筑能量密度更高的锂离子电池。金属锂的比容量高达 3860mAh/g,是构筑高比能电池的终极材料。但直接把金属锂作为电池负极材料使用的话,始终逃不开一个“跗骨之蛆”——枝晶。面对这个造成锂电池安全隐患的“大敌”,世界各国的科学家正在进行不懈努力。

5 应对锂电池安全的大敌“枝晶”

我们都知道,电池分为正极、负极和电解质,通过氧化还原反应来产生电流,放电时离子从负极流向正极,充电时从正极流向负极。

对锂电池来说,放电时锂会被氧化成离子进入电解质最终抵达正极;重新充电时,这些锂离子会再沉积到锂金属负极的表面。

但是这种沉积往往不均匀,随着锂电池的频繁使用,锂金属表面会长出针状或树枝状的锂枝晶。枝晶生长得过长就会折断,不再参与反应,给电池体系带来不可逆的容量损失;最危险的是,长大的枝晶会刺破电池正负极之间的隔膜,造成短路,埋下电池过热自燃或爆炸的安全隐患。

锂电领域里,如何做到“鱼与熊掌兼得”?如何通过提出新原理、新体系、新方法,实现能量密度更高、更安全、充电更快的储能过程?这些都是锂电领域未来面临的挑战。

在这样的形势下,涌现出了锂硫电池、锂空电池、钠离子电池等许多新体系电池。新材料的不断产生,也给这些新体系的发展带来了新机遇。

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