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手機又沒電,煩,說好的超長待機啥時候實現?

|· 本文來自“我是科學家”·|

在電子產品已經滲入到人類生活的今天,耳邊能聽到最絕望的聲音也許不再是“他/她怎么不愛我了?”,而是“啊~手機/電腦怎么沒電了?”。

手機沒電,生無可戀!

對于不少人來說,手機等電子產品早已變成“伴侶級”的生活必備品,而手機對電池的依賴正像我們對手機的依賴一樣(沒它不行)。甚至可以說,人們對手機使用需求的日益增長和手機電量的飛速下降已成為了當代人生活的主要矛盾之一。

鋰離子電池瓶頸到來

近些年,關于鋰離子電池的“突破”紛至沓來。“容量翻倍”、“續航持久”、“快速充滿”等關鍵詞,不斷撩撥大眾的神經。

但隨之而來的理性分析,又使這些浮華的辭藻盎然失色。人們紛紛抱怨媒體標題誤人,并沒有切實解決目前的現狀與困難。

誠然,鋰離子電池技術在不斷進步。但從某種層面講,鋰離子電池早已徘徊在舉步維艱的瓶頸階段。造成這一瓶頸的最根本原因,是所謂的“物理天花板”——鋰離子電池存在理論的儲能上限。

很不幸,我們就要接近這個上限了。

根據技術發展的“S型曲線”理論,一項技術大體是從出生、發展到瓶頸,直到被另一項技術所取代。鋰離子電池也逃不出這樣的宿命循環。

電池技術發展的S型曲線

當舊勢力增長乏力的時候,新的勢力總能異軍突起,支撐起新的發展。在接替鋰離子電池的眾多技術中,鋰空氣電池,可能是個答案。

若要談及未來,我們也不敢放下百分之百的論斷,只是提供一種接替“鋰離子電池”的技術備選。

初顯鋒芒,鋰空氣電池步履蹣跚

雖然名稱近似,但“鋰離子電池”和“鋰空氣電池”是全然不同的兩個體系,所涉及的原理也大相徑庭。

“鋰空氣電池”這個概念,最早見于1970年代。它的核心原理,是讓鋰與空氣中的氧氣進行反應,將產生的能量直接轉為電能。

鋰空氣電池工作原理示意圖,圖片來源:Pixabay

這就如同燒木頭或燒煤炭,作為人類獲取能源最普遍的方式,讓原料與氧氣直接反應,所帶來的是極高的能量釋放。據計算,鋰空氣電池的能量密度可以達到每千克12000瓦時,這一數值幾乎是鋰離子電池的10倍,甚至接近了汽油的能量水平(每千克13000瓦時)[1]

鋰與空氣的這看似簡單組合,將電池技術的物理天花板,提升了整整一個數量級!而且,它使用的氧氣來自于空氣,這部分原料近乎無限。

然而,事情注定不會如此簡單。在這方興未艾的背后,潛藏著的,仍然是一篇混沌:鋰空氣電池中發生的反應太過復雜,還伴隨著無數的副產物生成。甚至很多科學家們會感覺自己的研究其實是“玄學”。

2016年,來自美國和歐洲的幾位鋰空氣的專家湊在一起,為《自然·能源》寫了一篇介紹鋰空氣電池發展現狀的文章[1],里面開篇就是一句:“在基礎層面,我們對(鋰空氣)電池中的反應過程所知甚少。”隨后,又說:“沒人知道鋰空氣電池是否會成為一項技術,但是為了社會發展和人類未來,我們應該盡力而為去探究(鋰空氣電池的)可能性”。

也就是說,經歷了近50年的發展,這個領域中最杰出的學者,面對世人時,卻只能低聲地嘆息: 我們幾乎一無所知”

比起那些“充電10分鐘,續航1000里”的報道,這絕對是一篇“謙虛”的論文。 因為學者們都心里有數,人類在鋰空氣的研究中已經栽了太多跟頭。

有個業內的八卦,說是一位很有名望的科學家發了一篇鋰空氣電池的文章,達到了一個很棒的性能,可別人怎么也重復不出來。后來發現,他所做的鋰空氣電池中,發生反應的其實是集流體和電池殼,而不是預想的金屬鋰。最后鬧得尷尬收場。

甚至有些科研巨頭也難逃鋰空氣的詛咒。

從最早的移動原子到后來的量子計算,美國IBM公司在微觀科學領域,可以說是執牛耳者。他們就曾想攻下鋰空氣電池這個山頭。IBM在2009年推出一項名為“Battery 500”的計劃,希望能開發出一套讓電動車行駛500公里的鋰空氣電池。項目伊始,他們設想在2013年造出原型機,2020年實現商業化生產。

但是,2012年之后, “Battery 500”就戛然而止了,很難在網上搜到其只言片語。如果不是IBM有意雪藏,那就只能說明,這個計劃已然擱淺。也有傳言說IBM并沒放棄,而是轉向了其他方案。但這些江湖傳聞,我們也只能姑且聽之,真假難辨。

IBM官網關于"Battery 500"項目的介紹,最后一項研究成果發表于2011年。圖片來源:IBM.com

不斷探索,迷霧中曙光初現

雖然前路漫漫,但鋰空氣電池卻也在悄然生長,緩緩發展。讓我們從IBM“失敗”之后開始敘述,看看在藍色巨人倒下后,又發生了什么。

首先,需要回顧一下鋰空氣電池的基本要點。一塊鋰空氣電池,由負極(金屬鋰)、正極(空氣中的氧氣)和電解液組成。雖然只有簡單的三個部分,但每一部分的研究都面臨著巨大的挑戰。

以電解液為例。此前,常用于電池中的電解液是聚碳酸酯,它們不僅易燃易爆,而且在充放電時會不斷侵蝕電極,基本上幾次充放電后,一塊鋰空氣電池就算報廢了。

2012年,來自牛津大學的化學家彼得·布魯斯提出把聚碳酸酯換成一種名叫二甲基亞砜(DMSO)的導電液體。這種新型電解液就不那么容易與電極發生反應。于是,他們成功地讓鋰空氣電池穩定循環了100次[2]

然而,隨著研究深入,很多人開始對這個電解液產生質疑。原因倒不是出自二甲基亞砜本身,而是源自一種鋰空氣反應過程的中間產物——過氧化鋰(Li2O2)。過氧化鋰是一種強氧化劑,會把二甲基亞砜氧化二甲基砜,從而造成電池性能的極大衰減。

有的研究組發現,因為這個氧化現象太嚴重,他們的電池循環了幾十次后,整個電解液都變了顏色。人們甚至推測,布魯斯的團隊當初之所以循環100次,正因為這是二甲基亞砜保質的上限。

隨后的進展來自于美國阿貢實驗室。這家老牌研究所誕生于二戰時期,曾制造出人類歷史上第一個可控核反應堆。冷戰之后,阿貢實驗室的研究轉向于能源方向,成為電池領域最受尊敬的機構之一。

美國阿貢實驗室電池研究小組。

一個來自阿貢實驗室的團隊,通過將一種名為離子液體的材料與二甲基亞砜混合,成功地增強了電解液的穩定性。此外,他們還利用納米技術,在原有電極的表面增加了一層保護膜。這兩方面的設計,極大的降低了副反應的發生,這個團隊成功地將鋰空氣電池的循環記錄提高到了750[3]

這個重要的進步激發了媒體與大眾的興趣,一時間宣傳文案鋪天蓋地,甚至有人開始宣稱“鋰空氣電池的時代已經到來”。

能夠循環750次的鋰空氣電池的原型機。圖片來源:UIC.edu

然而,研究電池的業內人士卻選擇沉默。因為他們知道,無數問題仍然盤旋在鋰空氣電池領域。其中,最難過的坎,就是Li2O2的問題仍然存在。阿貢實驗室的改進,只是減緩了這種強氧化劑腐蝕電極的速度,然而這個安全隱患,仍然蟄伏在鋰與空氣的反應之中。

針對這一問題,人們要返璞歸真到熱力學的本質中去尋找答案。

我們都知道,溫度會對一個化學反應的進行產生巨大影響。如果將環境溫度提高到150℃以上,那么,鋰和氧氣的反應就會優先生成氧化鋰(Li2O)。Li2O的氧化性就相對溫和,對電極的腐蝕作用也要緩慢很多。

不同溫度中,鋰與氧氣反應的自由能,數值越低反應越容易發生。圖片來源:參考文獻[4]

然而,150℃啊!在這個溫度下,作為有機物的二甲基亞砜,一定會起火爆炸。

既然如此,我們就再換一種電解液吧。在近期《科學》雜志的一篇報道上,來自加拿大的科學家們,就使用熔鹽作為電解液解決了這個問題,

他們將兩種硝酸鹽(LiNO3和KNO3)混合,并加熱到150℃。此時,這種混合物會融化成液態。使用這個液態的熔鹽,再配合上新設計的電極材料,居然成功規避掉了暴躁的Li2O2。在他們的實驗臺上,整個鋰空氣電池平穩運行了起來,而且中間產物全部是溫和的Li2O。更令人欣喜的是,研究者發現這種全新的鋰空氣電池,表現出了更強的儲能能力!

不同中間產物對鋰空氣電池的影響示意圖。圖片來源:參考文獻[5]

雖然儲能能力變得更強大,但無論怎么看,150℃都不是一個友好的溫度。很難想象,怎么將一個堪比鐵板燒的電池放進手機后蓋,或者坐在熱騰騰的電爐子上開車通勤。對于這一問題,研究者暫時也沒有找到合適的應對方法,這無疑給鋰空氣電池的實際使用帶來了障礙。

舊技術,成熟與衰落;新技術,誕生與波折。電池的發展,無可幸免伴隨著這些起伏與迷茫。一個問題的解決,又引出了另一個,甚至另幾個新問題。

在看不到盡頭的往復中,鋰空氣電池,是否還能給人類一個儲能的答案?

拭目以待。(編輯:Yuki)

參考文獻:

  1. Advances in understanding mechanisms underpinning lithium–air batteries.?Nature Energy, 2016, 1, 16128.
  2. A Reversible and Higher-Rate Li-O2?Battery. Science 2012, 1223985.
  3. A lithium–oxygen battery with a long cycle life in an air-like atmosphere. Nature, 2018, 7697, 502.
  4. A high-energy-density lithium-oxygen battery based on a reversible four-electron conversion to lithium oxide. Science 2018, 361, 777.
  5. Hot lithium-oxygen batteries charge ahead. Science, 2018, 361, 758.
The End

發布于2018-10-08, 本文版權屬于果殼網(guokr.com),禁止轉載。如有需要,請聯系果殼

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