現(xiàn)在幾乎世界上所有的智能手機(jī)中使用的都是鋰離子電池，但是惱火的是大部分智能手機(jī)的電池在正常使用中只能勉強(qiáng)堅(jiān)持一天。盡管如此，鋰離子電池已經(jīng)被應(yīng)用在了電動(dòng)汽車當(dāng)中，儲(chǔ)能電網(wǎng)也正要到來(lái)，似乎鋰離子擁有一個(gè)光明的未來(lái)呢。

 

最近最引人的事件之一就是特斯拉汽車公司宣布他們新推出的住宅是Powerwall電池的訂單已經(jīng)持續(xù)到了2016年中期，市場(chǎng)需求十分強(qiáng)勁，很快就將達(dá)到每年電池容量35千兆瓦小時(shí)的生產(chǎn)預(yù)期——美國(guó)家用電力消耗為每天120萬(wàn)瓦小時(shí)。

 

鋰離子電池產(chǎn)品最先是在1990年代由索尼推出的，那時(shí)許多人都認(rèn)為鋰離子電池是可充電電池的一大突破：憑借其更高的工作電壓和更高的能量密度，鋰離子電池?fù)魯×水?dāng)時(shí)占據(jù)主導(dǎo)地位的鎳金屬氫化物電池（鎳氫電池NiMH）。此外，鋰離子電池的使用還促進(jìn)了便攜式電子設(shè)備的發(fā)展。如果沒(méi)有鋰電池，最新的Galaxy 智能手機(jī)的重量就可能達(dá)到現(xiàn)在手機(jī)重量的三倍，體積也將是現(xiàn)在的兩倍。

 

但是，近來(lái)，鋰離子電池開(kāi)始“壓力山大”了。在更現(xiàn)代的便攜式設(shè)備和電動(dòng)汽車的續(xù)航時(shí)間上，鋰離子電池的表現(xiàn)都并不能讓人真正滿意。另外，與汽油動(dòng)力車輛相比，鋰離子帶來(lái)的安全問(wèn)題也更為嚴(yán)重，尤其是有火災(zāi)的危險(xiǎn)。

 

這種情況自然帶來(lái)了問(wèn)題：接下來(lái)該怎么辦？會(huì)有什么新突破來(lái)解決這些問(wèn)題呢？

 

　　

在我們回答這些問(wèn)題之間，我們首先來(lái)談?wù)撘幌码姵氐膬?nèi)在機(jī)制。一個(gè)電池單元必須包含由兩個(gè)絕緣層分開(kāi)的電機(jī)，通常稱為隔板，該結(jié)構(gòu)通常浸泡在電解液中。兩個(gè)電極必須要具有不同的電勢(shì)或不同的電動(dòng)勢(shì)，最后兩者之間的電勢(shì)差就定義了電池的電壓。電勢(shì)較高的電極為正極，另一電極就為負(fù)極。

下一代電池能量密度和功率密度的對(duì)應(yīng)圖表。

 

在放電過(guò)程中，電子通過(guò)外接的電路從負(fù)極流向正極，而帶電的原子或離子則在電池內(nèi)部流動(dòng)，以保持電中性。在可充電電池充電時(shí)，這一過(guò)程就會(huì)倒過(guò)來(lái)。

 

鋰離子電池的能量密度是指單位質(zhì)量的電池材料能存儲(chǔ)多少能量，近幾年一直在以每年約5%的增長(zhǎng)速度穩(wěn)定增長(zhǎng)，在20年的時(shí)間里從90Wh/kg增長(zhǎng)到了240Wh/kg，而預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)還將繼續(xù)持續(xù)。這是由于電極和電解質(zhì)化合物和體系結(jié)構(gòu)中的漸進(jìn)改進(jìn)和最大充電電壓的增加；最近的便攜式設(shè)備電池電壓已經(jīng)從傳統(tǒng)的4.2V增長(zhǎng)到了4.4V。

 

要在能量密度的繼續(xù)提高上面繼續(xù)獲得突破，電極材料和電解質(zhì)材料都需要進(jìn)一步的改進(jìn)。其中最大的即將實(shí)現(xiàn)的飛躍就是向正極中引入元素硫或空氣，以及使用金屬鋰作為負(fù)極。

 

實(shí)驗(yàn)室中的進(jìn)展

　　

鋰硫電池有望在鋰離子電池的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)能量密度的倍增，達(dá)到400Wh/kg；鋰-空氣電池的能量密度甚至有望達(dá)到鋰離子電池的10倍，可達(dá)3000Wh/kg。這主要是因?yàn)榇朔N電池使用空氣作為一種非板載的反應(yīng)物，氧氣代替了電極中的元素，所以能極大地減少電池質(zhì)量。

鋰-空氣電池使用氧氣來(lái)驅(qū)動(dòng)電池中的電化學(xué)反應(yīng)

 

鋰硫電池和鋰-空氣電池都在實(shí)驗(yàn)室中得到了深入的研究，但其商業(yè)可行性還有待商業(yè)可用的原型設(shè)計(jì)的出現(xiàn)。在硫電極放電時(shí)，硫會(huì)溶解到電解液中，從而將電池與電路斷開(kāi)。而且在充電時(shí)，鋰的量也會(huì)變少，這將嚴(yán)重影響到電池整體可逆性。

 

為了能將這一技術(shù)實(shí)用化，我們必須要獲得關(guān)鍵的突破：改善正極架構(gòu)以便更好地保留活性材料或者開(kāi)發(fā)新的電解質(zhì)，這樣不會(huì)將活性材料溶解到其中。

 

而鋰-空氣電池也面臨著類似的困難，這些問(wèn)題都是來(lái)自于電解液和空氣的反應(yīng)。另外，在這兩項(xiàng)技術(shù)中，鋰電極的保護(hù)還是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。

　　

上面提到的幾種電池中，鋰都是電池中的一種關(guān)鍵元素。盡管鋰確實(shí)是一種很豐富的元素，但是鋰的分布非常分散，采取難度較大，所以鋰還并未實(shí)現(xiàn)全球范圍的商業(yè)開(kāi)采。所以目前只有在相對(duì)豐富的礦產(chǎn)中才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)采，目前世界上的大部分鋰都來(lái)自于高濃度的鹽湖的鹵水，其中大部分都位于南美洲的安第斯山脈。

 

除了相對(duì)困難的提取，在美國(guó)你到處都能買到6美元一千克的碳酸鋰，而因?yàn)橐惠v電動(dòng)汽車所需要的碳酸鋰也不過(guò)3千克，所以到目前為止，鋰的成本還不是一個(gè)大問(wèn)題。

鋰-空氣電池使用氧氣來(lái)驅(qū)動(dòng)電池中的電化學(xué)反應(yīng)

 

鋰硫電池和鋰-空氣電池都在實(shí)驗(yàn)室中得到了深入的研究，但其商業(yè)可行性還有待商業(yè)可用的原型設(shè)計(jì)的出現(xiàn)。在硫電極放電時(shí)，硫會(huì)溶解到電解液中，從而將電池與電路斷開(kāi)。而且在充電時(shí)，鋰的量也會(huì)變少，這將嚴(yán)重影響到電池整體可逆性。

 

為了能將這一技術(shù)實(shí)用化，我們必須要獲得關(guān)鍵的突破：改善正極架構(gòu)以便更好地保留活性材料或者開(kāi)發(fā)新的電解質(zhì)，這樣不會(huì)將活性材料溶解到其中。

 

而鋰-空氣電池也面臨著類似的困難，這些問(wèn)題都是來(lái)自于電解液和空氣的反應(yīng)。另外，在這兩項(xiàng)技術(shù)中，鋰電極的保護(hù)還是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。

 

 

上面提到的幾種電池中，鋰都是電池中的一種關(guān)鍵元素。盡管鋰確實(shí)是一種很豐富的元素，但是鋰的分布非常分散，采取難度較大，所以鋰還并未實(shí)現(xiàn)全球范圍的商業(yè)開(kāi)采。所以目前只有在相對(duì)豐富的礦產(chǎn)中才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)采，目前世界上的大部分鋰都來(lái)自于高濃度的鹽湖的鹵水，其中大部分都位于南美洲的安第斯山脈。

 

除了相對(duì)困難的提取，在美國(guó)你到處都能買到6美元一千克的碳酸鋰，而因?yàn)橐惠v電動(dòng)汽車所需要的碳酸鋰也不過(guò)3千克，所以到目前為止，鋰的成本還不是一個(gè)大問(wèn)題。