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电池大突破到底何时到来?三大难题难倒科学家(2)

励志人生网 2019-06-12 20:07 励志人物 127次

如果想让电池再次改变我们的生活,有三个问题需要解决:功率(power)、能量(energy)和安全(safety)。

尽管如此,提升10%也并不是很多。在过去几十年里,出现不少创新,阴极的能量密度的确提高了,现在机会在于阳极。

电池大突破到底何时到来?三大难题难倒科学家

制造阳极时,石墨仍然占主导地位。便宜、可靠、能量密度也可以,这是它的优势。不过与其它潜在的阳极材料相比,比如硅、锂,堆叠时石墨相对比较脆弱。

从理论上讲,硅吸收锂离子时比石墨更好。正因如此,一些企业设计阳极时,才会尝试向石墨内挤入一些硅;特斯拉CEO马斯克曾说,他的公司正在开发此类电池。

如果能制造出在商业上可行的硅阳极(完全用硅制造),那会是一大进步。不过因为硅元素有一些自身特点,很难做到。当石墨吸收锂离子时,体积不会有太大变化。如果是硅阳极,在相同的条件下会膨胀到原来的四倍。

真遗憾,你不能只是扩大外壳,让它适应膨胀,膨胀还会破坏硅阳极“固体电解质膜”(SEI)。

你可以将SEI视为保护层,它可以保护阳极,就像铁生成铁锈一样,也就是所谓的氧化铁,它能起到保护作用。当外面多了一层,与氧气的反应就会减速。在铁锈之下,铁的氧化速度会变慢,内部更坚固。

当电池第一次充电时,电极会形成自己的“铁锈”层,也就是SEI,将电极未被侵蚀的部分与其它部分分离。SEI可以阻止其它化学反应,防止电极遭到侵蚀,确保锂离子能够尽可能平稳地移动。

如果引入硅阳极,当我们用电池给其它设备充电时,每一次SEI都会分解,每次充电之时再度形成。在每一个充电循环周期中,会有一些硅被消耗。最终,硅消耗会达到一定程度,然后电池就不能再用了。

在过去10年里,一些硅谷创业公司不断寻找解决方案。例如,Sila Nano找到一种方法,它将硅原子封装在纳米壳内,里面有许多的“空房间”。这样一来SEI就会在壳外形成,硅原子膨胀是在内部发生的,每次充放电循环时不会破坏SEI。Sila Nano的估值达到3.5亿美元,它曾说技术最快2020年就会用于设备。

还有Enovix,它引入特殊制造技术,将100%的硅阳极置于极大的物理压力环境,迫使它尽可能少吸收锂离子,这样一来阳极的膨胀就会受到限制,防止SEI损坏。Enovix拿到了英特尔、高通的投资,预计它开发的电池会在2020年用于设备。

从这些企业的研究看,硅阳极无法达到理论高能量密度。不过两家公司都说,相比石墨阳极,它们的电极表现更好。第三方正在对电池进行测试。

安全挑战

为了充入更多的能量,对分子进行修补,可能会影响安全。自发明以来,锂离子电池总是因为起火引起麻烦。1990年代,加拿大Moli Energy开始将锂铁电池用于手机,正式商用,不过到了现实世界,电池存在起火隐患,Moli被迫召回产品,最终公司申请破产。公司一些资产被中国台湾企业收购,Moli自己现在仍然打着E-One Moli Energy的品牌名义销售锂电池。

最近,三星Galaxy Note 7也因为电池起火被召回,手机装备的是锂离子电池。2016年召回时,三星损失53亿美元。

锂离子电池仍然有起火隐患,因为它们大多都用易燃液体作为电解质。真是不幸,液体能够轻松运输离子,但它们却容易起火。有一种办法就是使用固态电解质。不过固态电解质也有其它缺点。固体更坚硬,你不妨想象一样,将骰子扔进水里和沙里,在水中它接触的表面会比沙子多很多。

目前,只有低能耗环境才会用上固态电解质锂离子电池,比如互联传感器。为了扩大固态电池的应用范围,大家一般有两个选择:一是高温固体聚合物,二是室温陶瓷。

下面依次解释一下:

高温固体聚合物:聚合物是很长的分子链连接在一起。在日常应用中,这种材料很常见,塑料袋就是由聚合物组成的。当一些聚合物加热之后会变得像液体一样,不过它们不像液体电解质那么易燃。换言之,它们拥有很高的离子电导率,就像液体电解质一样,但是没有易燃风险。

可惜,聚合物也有自己的局限性。它们只能在105摄像度以上工作,不适合手机。不过我们可以在家用电池中引入,用来存储电网电能。至少有两家公司正在开发,一是美国SEEO,二是法国Bollor,它们都在开发新固态电池,用高温聚合物作为电解质。

室温陶瓷:在过去10年里,有两种陶瓷向我们证明,在室温环境下,它的离子导电率和液体一样好,一是LLZO(锂,镧,氧化锆),二是LGPS(锂,锗,硫化磷)。

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