手機、平板電腦、各種可穿戴設備的發(fā)展如火如荼,然而,電池卻成了制約所有這些移動電子設備發(fā)展的瓶頸之一。大多數(shù)剛開始用智能手機的用戶都會對電池的續(xù)航能力感到失望——以往可以使用4-7天的手機電力,現(xiàn)在需要每天充電。
鋰離子電池是目前二次充電電池中最為主流,且被投資者和從業(yè)者都看好的方向,但從長遠發(fā)展來看,其能量密度要達到成倍的改進,其可能性并不大。從智能手機來看,人們上網(wǎng)的時間越來越長,網(wǎng)速越來越快,支撐芯片也必須越來越快;同時屏幕也越來越大,盡管有各種節(jié)能改進,但能量的消耗確卻是在不斷增加的。據(jù)中國科學院電池領域的國際專家張躍剛博士稱,現(xiàn)在要在智能手機上實現(xiàn)一塊充電電池使用一周,目前突破的可能性不大。
能量密度是檢驗電池品質(zhì)的核心指標之一,改善的目標是在重量越輕、體積越小的電池包中存儲越來越多的能量。以我們熟悉的廠商比亞迪的鋰電池為例,其目前按照重量和體積分別可達到的實際比能量為100-125瓦時/公斤和240-300瓦時/升,特斯拉電動汽車Model S所使用的松下筆記本電池的能量密度為170瓦時/公斤。在我們此前的報道中,美國創(chuàng)新蓄電公司(Enevate Corporation)通過對鋰離子電池負極材料的改進,可以將電池能量密度提升30%以上。
想要成倍提升電池能量密度,必須依靠下一代電池技術。張躍剛博士向我們推薦了以下三大熱門電池技術,它們大多數(shù)還處于實驗室研發(fā)階段。雖然距離商業(yè)化投產(chǎn)還有相當長一段路,但我們相信移動電子設備的飛速發(fā)展會令電池領域的投資增加,從而在一定程度上加速技術和商業(yè)方面的突破。
鋰硫電池
鋰硫電池是鋰電池的一種,它是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負極的一種鋰電池,其理論能量密度是鋰離子電池的5倍左右,目前尚處于初期研發(fā)階段。
鋰硫電池是目前鋰電池之外被廣泛看好的新一代鋰電池,目前投入該領域研究的實驗室和各種早期資金,在商業(yè)化方面的前景被一致看好。
然而,鋰硫電池面對的技術挑戰(zhàn)也很大,特別是電池負極材料使用化學性質(zhì)及不穩(wěn)定的金屬鋰,這對于電池的安全是極大的考驗。此外,在穩(wěn)定性、配方、工藝等諸多方面仍然面臨很多未知的挑戰(zhàn)。
目前在英國、美國都有不止一家機構(gòu)投入鋰硫電池的研究,有些公司此前宣稱今年將推出產(chǎn)品。張躍剛博士在伯克利大學實驗室也在研究鋰硫電池,從實驗室結(jié)果來看,其成果令人滿意,電池在較為苛刻的測試環(huán)境下,循環(huán)次數(shù)達到了3,000次以上。
鋰空氣電池
鋰空氣電池是一種用鋰作陽極,以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。由于陽極金屬鋰的質(zhì)量很輕,而與之反應的陰極反應物氧氣就存在與自然環(huán)境中,無須保存在電池里,所以其理論能量密度是鋰離子電池的近10倍。
鋰空氣電池在技術方面的挑戰(zhàn)更多,除了金屬鋰的安全保存問題外,氧化反應后形成的氧化鋰性質(zhì)過于穩(wěn)定,必須借助催化劑才能完成還原反應。此外,電池的循環(huán)次數(shù)問題始終沒有解決。
相比于鋰硫電池,鋰空氣電池處于更為早期的研究中,目前還沒有公司投資進行商業(yè)研究開發(fā)。
鎂電池
鎂電池是以以鎂為負極,某些金屬或非金屬氧化物為正極的原電池。相比于鋰電池,鎂電池具有更好的穩(wěn)定性,壽命更長。由于“鎂”是二價元素,所以雖然其質(zhì)量大于金屬鋰,但能量密度可能比鋰更具優(yōu)勢。
鎂電池與鋰空氣電池目前處于差不多的研究階段,日本豐田汽車和美國麻省理工學院旗下研究機構(gòu)都在做鎂電池的研究,但其距離商業(yè)化發(fā)展仍然具有相當長的道路。
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