技術(shù)世界潮流
如今，鋰電池已經(jīng)成為日常生活中不可或缺的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦、可穿戴設(shè)備、新能源汽車等領(lǐng)域，幾乎全世界都有鋰。但是鋰電池也有明顯的缺點(diǎn):成本高，生產(chǎn)鋰電池的原材料儲(chǔ)備少等。
鑒于此，許多國(guó)家的政府和企業(yè)都加快了步伐，布局了“后鋰電池”時(shí)代。比如歐洲一些機(jī)構(gòu)致力于開發(fā)鎂電池和鋅電池，當(dāng)代安普瑞斯科技有限公司推出了鈉電池。正如《日本經(jīng)濟(jì)新聞》雜志網(wǎng)站在.近的一篇報(bào)道中指出的，圍繞鋰電池替代品的全球競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開始！
鋰電池成本高
鋰電池誕生于20世紀(jì)60年代，90年代由日本索尼公司商業(yè)化。與“前輩”鎳氫電池、鉛酸電池相比，它能儲(chǔ)存更多的電能，如今已經(jīng)飛入尋常百姓家，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、個(gè)人電腦、智能手機(jī)等產(chǎn)品。它還可以儲(chǔ)存太陽能和風(fēng)能，使一個(gè)沒有化石燃料的世界成為可能。
鑒于鋰電池對(duì)人類的巨大貢獻(xiàn)，2019年，三位“鋰電池之父”獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，鋰電池成為當(dāng)今電池行業(yè)的“花旦大師”。
但是鋰電池..的缺點(diǎn)就是成本高。只是用在智能手機(jī)上。如果需要大規(guī)模儲(chǔ)存電能，就需要相應(yīng)的大電池。根據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的數(shù)據(jù)，要想讓鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能成本達(dá)到與抽水蓄能電站相當(dāng)?shù)?.3萬日元(約1280元)/千瓦，簡(jiǎn)直就是癡人說夢(mèng)。
此外，作為鋰電池原材料的鋰、鎳、鈷分布極不均衡，全球鋰鈷礦床無法充分用于生產(chǎn)。地殼中鋰的儲(chǔ)量為0.0065%，全球儲(chǔ)量?jī)H為8600萬噸。相比之下，鈉、鎂、鋅的儲(chǔ)量要高得多:地殼中鈉的儲(chǔ)量為2.74%，僅我國(guó)柴達(dá)木盆地的鈉鹽儲(chǔ)量就達(dá)到3216億噸；地殼中鎂的含量高達(dá)13.9%。
候選元素前景看好。
因此，科學(xué)家們將注意力轉(zhuǎn)向鎂、鋅、鈉等元素。
例如，英國(guó)劍橋大學(xué)、丹麥和以色列..理工科大學(xué)以及德國(guó)和西班牙的研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起了一個(gè)名為“歐盟鎂互動(dòng)電池社區(qū)”(E-Magic)的研究項(xiàng)目。這個(gè)為期4年的前瞻性項(xiàng)目得到了歐洲聯(lián)盟的財(cái)政支持。目標(biāo)是開發(fā)一種能量密度超過1000瓦時(shí)/升(是鋰電池的兩倍)的環(huán)保可充電鎂電池。
據(jù)研究人員稱，這種電池使用鎂作為負(fù)極。因?yàn)橐粋€(gè)鎂離子攜帶兩個(gè)電子，與只能攜帶一個(gè)電子的鋰離子相比，鎂電池的容量增加了一倍。目前研制成功的鎂電池可反復(fù)充放電500次以上。
據(jù)悉，2020年，美國(guó)休斯頓大學(xué)姚彥教授課題組與北美豐田研究中心合作，成功研發(fā)出一款非常有前景的高能鎂電池，其潛在應(yīng)用包括電動(dòng)汽車、可再生能源系統(tǒng)的蓄電池等。雖然這種電池只連續(xù)充放電了200多次，但研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們?yōu)楦踩?、更高性能的鎂電池找到了研究方向:正極使用有機(jī)化合物，負(fù)極使用芘四酮(PTO)實(shí)現(xiàn)快速可逆的氧化還原過程，基于硼團(tuán)簇的弱配位電解質(zhì)使離子運(yùn)動(dòng)更快。這種先進(jìn)的陰極和電解液設(shè)計(jì)對(duì)鎂電池的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義，將加速鎂電池技術(shù)的商業(yè)化。
此外，日本東京都大學(xué)木村森野教授開發(fā)了一種以氧化錳為陽極、鎂為陰極的電池。根據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》的報(bào)道，雖然鎂電池的性能與鋰電池相比仍處于較低水平，但其潛力值得探索。未來，研究人員將致力于電解液的改性，加強(qiáng)電極材料的研究。
鋅和鎂一樣引人注目。日本東北大學(xué)小林浩史副教授和本雅格教授研發(fā)的新型鋅離子電池，采用水溶液作為電解液，取代了傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑，降低了電池起火的風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)明斯特大學(xué)的研究人員還合作開發(fā)了一種鋅金屬雙離子電池，該電池由鋅陽極、天然石墨陰極和雙離子鹽水溶液組成。
今年7月，中國(guó)當(dāng)代安普瑞斯科技有限公司發(fā)布了一款鈉電池，這款電池?fù)碛衅駷橹谷?.的能量密度和超快充電特性(15分鐘可充電80%)。預(yù)計(jì)當(dāng)代安普瑞斯科技有限公司將持續(xù)提升鈉電池能量密度，預(yù)計(jì)2023年形成基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)鏈。
鋰電池潛力巨大。
盡管各種替代技術(shù)的研究如火如荼，但無論是鎂電池、鋅電池還是鈉電池，在技術(shù)和材料上仍有許多問題需要解決。例如，鎂離子體積小、電荷密度高、極化強(qiáng)，很難插入到大多數(shù)基質(zhì)中形成包埋化合物。因此，替代的陰極材料是有限的。
有鑒于此，一些科學(xué)家致力于挖掘鋰電池的潛力，提高鋰電池的性能，開發(fā)質(zhì)量更好的鋰電池。
據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，日本唐淺公司與關(guān)西大學(xué)合作開發(fā)了一種以硫?yàn)檎龢O活性物質(zhì)的鋰硫電池，其質(zhì)量能量密度可達(dá)到現(xiàn)有鋰電池的2倍左右——目前純電動(dòng)汽車常用的鋰電池質(zhì)量能量密度約為200-300瓦時(shí)/千克，而此次研發(fā)的鋰硫電池質(zhì)量能量密度超過370瓦時(shí)/千克。
研究人員解釋說，理論上，同等尺寸的鋰硫電池容量可以達(dá)到傳統(tǒng)鋰電池的8倍，但存在電導(dǎo)率低、中間產(chǎn)物容易溶解在電解液中等問題。，而他們新開發(fā)的鋰硫電池采用了帶有微孔的碳顆粒，從而避免了上述兩個(gè)問題。唐倩公司表示，希望到2023年將其鋰硫電池的質(zhì)量能量密度提高到500
WHR/千克。
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