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细数锂离子电池江湖路上的九大死敌机械模具钢

时间:2020/07/24 11:16:26 编辑:

在锂离子电池商品化的近30年历史当中,被其在市场竞争中斩落马下的产品包括镉镍电池、铅酸电池及镍氢电池。目前从电动玩具到新能源汽车,从智能手机到储能装置,锂离子电池都大有一统江湖之势。

但,人类对新型能源的追求永不会停息,性能有诸多不完美因素的锂离子电池,也终有被市场彻底淘汰的那一天。那么,哪一种电池最有可能成为锂离子电池的替代品呢?本文将向大家介绍九种新型电池,真正的“未来电池”,势必就在其中!

壹:锂空气电池

原理优势:以纯氧气为正极,以金属锂为负极,放电及充电时分别发生金属锂的氧化及还原反应,方程式如下:

由于锂空气电池的反应方程式只有锂及氧这两个高能量密度的物质(对比看看锂离子电池的石墨及钴酸锂,真正有容量发挥的只是一点点锂而已),因而江湖上流传着锂空气电池能量密度为锂离子电池十倍的传说,很多人也因此将锂空气电池想象成锂离子电池的终结者。

技术难点:纯氧气与金属锂在生成Li2O2时,也会有生成Li2O的不可逆副反应发生,同时Li2O2的分解过程中副反应也非常大。目前锂空气电池的各项副反应难以抑制,因此实验室中的锂空气电池循环寿命,鲜有超过一百周者。

此外,纯氧气的制备与存储、催化剂不得不使用纯金等因素让锂空气电池的成本居高不下,因而即便技术实现突破,锂空气电池高昂的成本也足以让人们望而却步。锂空气电池中必须有反应产物的载体(一般为多孔碳等材料)、电解液及包装材料等物质,将这些材料一同算进去后,其重量能量密度仅为锂离子电池的两倍左右,优势有限。

动态前景:锂空气电池从概念提出到现在已有二十多年的历史,但目前的研究工作依旧主要集中于高校及IBM等少数企业中。在可预见的未来里,其应该更多的是以“媒体报道的噱头”的形式见人,虽然锂与氧直接反应的形式具有无比的吸引力,但是副反应的抑制及高昂材料成本的控制实在过于勉为其难。

锂空气电池综合评定:

能量密度:★★★☆

综合性能:★☆

环境友好:★★★☆

成本优势:★☆

技术储备:★☆

应用前景:★★☆

贰:镁离子电池

原理优势:一个镁离子可以携带两个电荷,因此在其它条件完全一致时,镁离子电池的体积能量密度将达到锂离子电池的两倍左右。金属镁在形成时不会产生枝晶,因此可以单独作为负极从而提升能量密度。如果可以找到类似于钴酸锂这种可以可逆的嵌入及脱嵌镁离子的正极材料,锂离子电池的完美继任者或许将非镁离子电池莫属。

我们假设MgCoO2这种材料具有可逆脱嵌和嵌入镁离子的性能,那么以MgCoO2为正极、以金属镁为负极的镁离子电池的反应为:

由于金属镁的成本远低于金属锂,因此镁离子电池的“低成本”也是其一个宣传的噱头。

技术难点:可以像钴酸锂脱嵌锂离子一样、自由且快速的嵌入和脱嵌镁离子的正极材料还未找到;并且当镁离子在电解质中迁移时,其速度要远低于锂离子的迁移速度,适合于镁离子电池使用的电解质还未完成开发。总而言之,我们只能确定镁离子电池的负极是金属镁,其它的材料嘛,还要等等……

虽然金属镁的成本大幅低于金属锂,但是锂离子电池中锂的成本又能占整体成本的多少呢?所以镁离子电池的所谓成本优势,其实又是一个无知的谎言。

动态前景:镁离子电池目前还处于理论和前期研究阶段,想找到一款具有可逆脱嵌镁离子能力且电压平台合适的正极绝非易事,镁离子无法在电解质中快速迁移的解决方案也并非一朝之功。除镁离子电池以外,与其原理接近的铝离子电池也有着相似的机理及现状,因此本文不再对铝离子电池进行单独介绍。

镁离子电池综合评定:

能量密度:★★★☆

综合性能:★

环境友好:★★★

成本优势:★★★☆

技术储备:★

应用前景:★★

叁:氢燃料电池

原理优势:传统能源是各种有机物与空气中的氧气发生氧化反应,在释放能量的同时也会有温室气体、含硫污染物等排出。但是如果使用纯氢气与氧气反应,这样在保证电池有较高能量密度的同时,还不会对环境有任何危害,其吸引力无疑是巨大的。

氢燃料电池在氢气耗尽后,更换氢气罐的时间仅需要两三分钟;电池并不存在容量衰减的问题,材料回收也绝不像锂离子电池一般让人头疼。由于氢气的活泼性,氢燃料电池的能量密度也要比锂离子电池高出两三倍。

技术难点:氢燃料电池的主要瓶颈在于结构过于复杂,电池内部需要控制包括温度、排水、气流等在内的多重要素,其结果就是电池小型化困难、电池的长期使用寿命堪忧、整体成本居高不下。氢气的加注成本目前是电动车充电成本的十倍开外,存储氢气需要使用七百倍大气压的存储罐,听着就让人头皮发麻。氢燃料电池仅能提供能量,却无法充电及存储能量,因而整车还需要储能电池。

动态前景:燃料电池的研究最早起源于五六十年前,并且早在几十年前就已经大规模应用于火箭发射推进器上。但是由于燃料电池小型化困难,最近几年才开始在汽车领域上成规模的应用。目前氢燃料电池的集大成产品为丰田Mirai,该车型于2014年末上市,扣除补贴后的售价为4万美元出头,现已有数千辆的销售额。

氢燃料电池综合评定:

能量密度:★★★★

综合性能:★★★★

环境友好:★★★★

成本优势:★

技术储备:★★★

应用前景:★★★★☆

肆:超级电容器

原理优势:超级电容器的主体结构由两块电极板及电极板间的电解质组成,充电后,电极与电解质间形成双电层结构,从而在正负极之间形成电压差并存储电能。超级电容器在充放电过程中进行的仅是电子和离子的物理迁移、并没有发生化学反应,因此其可以经得起数十万次的循环测试,并且可以在数秒内完成充放电。由于仅进行物理储能,其温度适应性及安全性能也绝非锂离子电池可比。

技术难点:能量密度是超级电容器的致命短板,目前常见的超级电容器多以活性碳为电极,由于其是物理储能,因此超级电容的能量密度仅能达到5——10Wh/kg,并且后续提升空间有限。

动态前景:针对超级电容器的长循环、高倍率特点,目前其产品主要集中于车辆起停及能量回收电源、风力发电的临时储能装置上。上海世博会就曾经展出过到站充电、十秒充满、充满出站的电容大巴。由于目前针对锂离子电池补贴政策的出台,本来具有明显特点的超级电容器的应用受到了进一步限制。

超级电容器综合评定:

能量密度:☆

综合性能:★★★★☆

环境友好:★★★★

成本优势:★★

技术储备:★★★★☆

应用前景:★★

伍:飞轮电池

原理优势:飞轮电池的核心部件是飞轮电机,充电时,电机中的飞轮加速旋转并将电能存储为动能;放电时,飞轮转速降低并将动能转化为电能。从飞轮电池的原理可以发现,其与超级电容器一样,都是用物理方式(而非化学反应)储能,因此二者的优势也非常相似:循环寿命长、适合超大倍率的充放电。

技术难点:为了让飞轮电池吸收足够的能量,沉重的飞轮必须以每分钟数十万次的频率进行转动,从而对轴承材料及飞轮电机的真空度产生了很高的要求。飞轮电池由动能储能,因而对外界的震动亦非常敏感,难以适应经常颠簸的车辆行驶环境。此外,飞轮电池的能量密度仅为锂离子电池的一半,且目前难以小型化。

动态前景:飞轮高速转动且低损能必须要有高强度材料以及高温超导体的配合才能实现,动能与电能的高效率转换也需要有高超的电子技术。因此,虽然飞轮储能的原理在千年之前就已经被人们所得知,但是根据此原理制作出成熟的产品还任重道远。

飞轮电池综合评定:

能量密度:★☆

综合性能:★★★★☆

环境友好:★★★★

成本优势:★☆

技术储备:★☆

应用前景:★☆

陸:托卡马克环

原理优势:托卡马克环还有一个大家耳熟能详的名字:核聚变反应堆。准确来说,托卡马克环是实现核聚变反应的一种方式,其原理是使用超高温度将氢的同位素氘和氚加热成等离子体,然后依靠二者的高速碰撞生产氦,在这一反应中会发生质量损失,而损失掉的质量就由质能方程E=mc2转化成了巨额能量。为了束缚住反应堆中的超高温等离子体,需要制造一个环形磁场,托卡马克“环”因此得名。

由于海水中存在着巨量的氢同位素、且核聚变释放的能量绝非常规物理化学反应可以匹敌、核聚变产物也不存在污染,因此如果可以实现应用,托卡马克环将无疑成为人类的终极能源形式。

技术难点:为了满足核聚变产生的条件,托卡马克环的中心温度需要高达数千万摄氏度!在如此高的温度下,等离子体会异常活跃,必须使用超强的磁场才能将其控制住。因此在托卡马克环中,对超高温条件的维持、对反应速率的控制、整个装置的体积及设计等,难度都绝非目前常规电池可比。

动态前景:对于这种人类终极能源形式,各科技强国都在抓紧研究:我国在2006年就完成了持续反应时间长达1000秒的“人造太阳”试验,此成绩一时无双;美国、欧洲、日本等发达国家也都在耗费巨资进行相关研究。

但是对于我们电池人而言,托卡马克环的魅力在于其小型化,但很不幸,可能有生之年我们都无法看到《钢铁侠》、《终结者》中小型化的核聚变电池。但是对未来的期望还是要有的,万一实现了呢!

托卡马克环综合评定:

能量密度:★★★★★

综合性能:★★★★☆

环境友好:★★★★☆

成本优势:★★★★

技术储备:☆

应用前景:★

柒:液流电池

原理优势:液流电池的核心结构是被分离存储的正负极电解液以及用于正负极电解液进行反应的电堆。在循环泵的推动下,正负极电解液流经电堆处并发生反应,从而将化学能转化成电能。目前最常见的液流电池为全钒液流电池,其反应原理如下:

液流电池的电压普遍不高,如以上全钒液流电池的电压仅为1.26V,带来的好处就是可以使用水系电解液,进而大幅提高电池安全性能。此外,液流电池的循环寿命也很容易突破一万次,从而减轻环保、回收的压力。

液流电池的另外一个特点是储能的正负极电解液与反应的电堆是物理隔离的,这样的优势是可以独立设计电池系统的储能模块及反应模块。实际应用的话,我们可以在一辆车上装一套电解液提供系统,然后在每个车轮旁各装一个反应电堆,从而实现每个车轮的统一供能及独立控制(下面介绍的概念车,就具有这类功能)。

技术难点:液流电池的离子交换膜及高浓度电解液是开发的难点。整个电池系统需要管路、阀件、电解液循环泵、换热器等辅助部件,使液流电池结构颇为复杂,传统液流电池能量密度较锂离子电池也明显偏低。

动态前景:目前液流电池已小规模应用于储能领域;另外在几款新推出的纯电动概念车上,如亮相于今年日内瓦车展的QUANT48Volt,厂商也宣称其搭载了能量密度高于锂离子电池数倍的新型液流电池,并可以提供1000km的续航及300km的最大时速,但由于相关技术尚不成熟,目前产品还处于概念车试产阶段。

液流电池综合评定:

能量密度:★★★☆

综合性能:★★★★

环境友好:★★★

成本优势:★★

技术储备:★★☆

应用前景:★★★★

捌:锂硫电池

原理优势:单质硫完全得电子后的克容量高达1675mAh/g,以金属锂做电极的能量密度高达3860mAh/g,将二者结合:正极为硫单质、负极为金属锂,就形成了锂硫电池。其充放电进行的是金属锂与硫的氧化与还原反应:

由于正负极均具有颇高的克容量,因此锂硫电池的能量密度可以达到锂离子电池的两倍以上。硫在全球储量颇丰,因而硫锂电池相对于锂离子电池而言有着很高的成本优势。

技术难点:由于硫本身是绝缘体,因此为了保证锂硫电池的倍率充放电性能,正极中需要加入大量导电剂。硫在形成硫锂化成物的过程中,其生成的中间产物如Li2S8、Li2S6等并不稳定,会溶解乃至透过隔膜与负极金属锂反应从而降低电池容量(此被称为穿梭效应)。金属锂负极的枝晶问题目前尚无良好解决方案,这也会大幅降低电池的安全性能。

动态前景:锂硫电池的研究热度目前颇高,相关文献、专利数以万计,一些一线电池厂也早已开始存储锂硫电池技术以备后用。虽然电池研发热度很高,但是目前可以拿得出手的锂硫电池终端产品却凤毛麟角,其产业化的铺开乐观估计也需要5——10年。

锂硫电池综合评定:

能量密度:★★★☆

综合性能:★★☆

环境友好:★★★☆

成本优势:★★★★

技术储备:★★

应用前景:★★★★

玖:全固态电池

原理优势:在常规锂离子电池中,由电解液作为锂离子充放电迁移的载体,并需要隔膜将正负极隔开。而对于全固态电池而言,正负极之间的固态电解质同时起到了锂离子迁移途径及正负极隔绝板的双重作用。其工作原理与锂离子电池并无差异,都是通过锂离子在正负极嵌入和脱嵌而形成的摇椅电池。

由于全固态电池中不存在易燃的液态电解液,因而安全性能得以大幅提升,并且电化学窗口也不像锂离子电池一样狭窄,(仅考虑电解质的话)可以满足100度的充放电条件,固态电解质对金属锂枝晶的形成有一定抑制作用,负极使用金属锂会更为安全。固态电解质的分解电压也明显高于目前的电解液,电池电压突破5V也不再是梦。电池尺寸设计灵活,超薄电池、柔性电池乃至内串联电池都可以通过固态电池的形式实现。

技术难点:固态电池的最大难点在于固态电解质的电导率远低于液态电解质,从而大幅影响了固态电池的倍率性能。电池固态电解质的装配成本高昂,实验室级别的固态电池成本甚至达到了锂离子电池的百倍。

动态前景:锂电之父Goodenough带领的团队今年宣称其研发出的全新固态电池已在实验室完成了1200次循环、并可以在-20——60度的环境中正常使用,由于Goodenough的大名,这无疑让固态电池又火了一把。苹果公司在2012年就开始布局固态电池,并在两年前申请了一份关于固态电池系统管理的专利。这两项动态,在当时的朋友圈都流传颇广……

虽然固态电池的前景光明,但是目前的研发还主要处于实验室mAh级别电池的制备当中。江湖传言巴黎的共享汽车Autolib是全球第一款固态电池量产车型,但是在笔者查阅多方资料后,发现此报道并不足为信。

固态电池综合评定:

能量密度:★★★☆

综合性能:★★★☆

环境友好:★★★

成本优势:☆

技术储备:★★

应用前景:★★★★☆

拾:谁将成为最完美的未来电池

看完了以上让人眼花缭乱的各类电池介绍,让我们再将上面内容做一个汇总:

结合以上分析及目前的技术动态,我们可以将上面九种未来电池的发展趋势进行一下归类及预测:

1)锂硫电池及固态电池最可能成为下一代电池的优先选择:二者的技术储备相对最为成熟,实验室都已经做出了循环千次的产品,理论上已经具备了成为下一代电池的可能。硫锂电池的主要难点在于正极硫化锂中间产物的穿梭效应及负极金属锂的枝晶问题;固态锂电池的主要难点在于固态电解质的生成工艺不完备,从而导致成本奇高。但是随着技术的进步及诸多一流电池厂在此方面的投入,相信二者具备较高的量产化可能,不过批量产品面世最快也要5——10年。

2)锂空气电池及镁离子电池的路途还比较遥远:很多媒体为了吸引眼球,会在对新型电池的报道中刻意忽略一些问题:比如在计算锂空气电池能量密度时,将反应载体、电解液、催化剂等物质重量忽略,从而得出锂空气电池能量密度是锂离子电池十倍的结论;比如在描述镁离子电池的低成本优势时,仅根据镁的价格不到锂的十分之一就说电池成本可以节约90%。

如果不对相关报道进行细致研究的话,我们自然会认为锂空气电池或镁离子电池拥有着良好的前景,但是当我们剥开其宣传噱头的外衣,追逐其电池性能的内核时,就会发现,这两种电池相较于锂硫电池及固态电池而言,技术储备还有巨大欠缺,产品性能也并无明显优势。至于量产化,那更是要排在后面了。

如果仅相对于锂离子电池而言,锂空气电池及镁离子电池在能量密度方面还有一定优势,但是如果对手是能量密度更高(且假设)成熟的固态电池或者锂硫电池,未来电池的名单中,或许就没有锂空气电池及镁离子电池什么事情了。

上面四种电池,都属于锂离子电池的“近亲”,因为其原理都与锂离子电池有诸多联系(就算量产,咱们锂电同行也不至于失业……)。但是除了锂电的近亲之外,其它类型的电池力量也绝不容小觑:

3)氢燃料电池及液流电池的量产化可能性颇高:目前氢燃料电池受限于氢气制备成本过高而应用受限,但即便如此,依旧有卖出了三千多辆的丰田Mirai氢燃料汽车,且补贴后整车成本仅4.1万美元,并不比特斯拉贵出多少。如若后续氢提取技术发生重大改良,氢燃料电池车可能在短时间内就遍地开花。

传统液流电池能量密度较低,仅能少量用于储能领域,与锂离子电池相比优势不足。但是随着几款液流电池概念车的实际产品出现,意味着这一领域在研发阶段又有了新的突破。有人可能会说:概念车不等于量产哦。但是对比才有伤害,相对于目前还出于实验室的锂硫电池和固态电池而言,能拿到车展去展示的液流电池概念车技术,离我们难道还不够近吗?

4)物理储能的超级电容器及飞轮电池应用难度较大:超级电容器受限于过低的能量密度,应用前景比较狭窄。飞轮电池对材料物理性能如超高强度、超导体(才能降低摩擦)等要求过高,问题非短时间可以解决,且即便解决,产品能量密度也会远不及当时的电池产品。因而物理储能虽然看着美好,但电池的本质属性依旧是对“电”的保“池”能力,在这方面有明显缺陷的话,应用必将极大受限。

5)托卡马克环将是人类社会的终极能源方式:如果有人对哪一种电池说“应用现实很骨感”,那托卡马克环肯定就笑了,因为以上电池应用再难,也难不过托卡马克环所代表的核聚变电池。虽然我们有生之年都很可能无法看到这类产品的实际应用,但是这种师从于太阳的能源产生方式还是让我们无比的憧憬与遐想。

梦幻未来的实现,绝离不开跨时代的能源形式

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