中國粉體網(wǎng)訊 不久前，中國科學(xué)家開發(fā)出一種可在零下70攝氏度使用的鋰電池，未來有望在地球極寒地區(qū)，甚至外太空使用，聽起來真是“吊炸天”。
據(jù)研究人員稱，這種新電池使用的材料成本不高，還環(huán)保，但要想將其商業(yè)化尚有待時(shí)日，主要問題是其能量密度太低，還比不上傳統(tǒng)的鋰電池。那么，電池技術(shù)何時(shí)才能有革命性的突破？
傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)接近瓶頸
“消費(fèi)電子、汽車和電網(wǎng)存儲(chǔ)是目前電池主要應(yīng)用的三個(gè)行業(yè)。我把這三個(gè)行業(yè)稱為人們與電池連接的三大領(lǐng)域。每個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄姵囟加胁煌囊�，因此所使用的電池也可能（有時(shí)）大不相同。在你口袋里的手機(jī)需要結(jié)實(shí)、安全的電池，重量和成本倒不用太考慮。而對于汽車電池行業(yè)而言，需要的電池很多，因此成本和重量以及循環(huán)使用壽命（如果新特斯拉每兩年需要更換一次新電池，你會(huì)抓狂的）就變得十分重要。用于存儲(chǔ)房屋和電網(wǎng)的電力的電池對重量或尺寸要求則不高�！泵绹茉创鎯�(chǔ)研究聯(lián)合中心研究與開發(fā)副主任溫克特·斯里尼瓦森說。
幾乎電子行業(yè)的每一個(gè)部分都需要電池，從而也都受到電池的功率輸出和能量壽命的限制�！峨娫措s志》主編斯蒂法諾·帕瑟里尼指出，“電池的發(fā)展或進(jìn)步比其他領(lǐng)域慢得多，這是電池本身的局限性，你不能指望有能給手機(jī)供電一周或一個(gè)月的電池。因?yàn)�，存�?chǔ)在電池中的最大能量是由固有的元素決定。”
1991年，索尼推出首個(gè)商用鋰電池，鋰電池沿用至今被稱為主流的電子設(shè)備電池技術(shù)。由于鋰離子是最輕的堿金屬元素，擁有著更小、更輕、能量密度更高的特性，所以迅速取代了鎳電池。
在鋰電池的構(gòu)成物質(zhì)中，有磷酸鐵、錳、石墨、鈦酸鹽等其他金屬和非金屬材料，但要靠著“鋰離子”這個(gè)元素在正、負(fù)極中的嵌入與脫出，才可實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，最終完成充放電過程。
然而，鋰電池的技術(shù)進(jìn)步發(fā)展緩慢。目前鋰離子電池在能量密度、高低溫特性、倍率性能上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉛酸、鎳氫電池，但還是難以滿足快速增長的電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車等的需求。
近些年來，研究人員努力提高鋰電池的能量密度（電量體積容量比）、價(jià)值、安全性、環(huán)境影響以及試用壽命，并在設(shè)計(jì)全新類型的電池。但帕瑟里尼表示，現(xiàn)在傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)已接近瓶頸，進(jìn)一步優(yōu)化的空間有限。
創(chuàng)新思路催生新型電池
目前，科學(xué)家正致力于研發(fā)儲(chǔ)能更強(qiáng)、壽命更長的新型電池，特別是在不同的領(lǐng)域開發(fā)出更為適合的電池，因?yàn)闆]有一種電池可以適用所有領(lǐng)域。
在汽車行業(yè)中，電池最終決定了汽車的壽命，也決定了人們對于電動(dòng)汽車的恐懼和焦慮。為了解決這個(gè)問題，工程師和科學(xué)家正在嘗試將更多的電壓容量填充到電池中。目前，大量的研究致力于尋找新的材料和化學(xué)品以輔助或替換鋰離子晶格或電池的其它部分。
例如一些創(chuàng)新的做法，將傳統(tǒng)的石墨陽極晶格可以替換為硅，會(huì)擁有10倍多的鋰離子，但硅在吸收鋰離子時(shí)會(huì)膨脹，所以研究者們需要解決這個(gè)問題；將鋰金屬代替晶格充當(dāng)陽極，但是有可能它在充電時(shí)會(huì)發(fā)生短路。而這是自鋰電池問世二三十年以來，令電池制造商一直頭疼的老大難問題。
也許，鋰可以完全被替換？例如，鈉或鎂，再或其他的物質(zhì)材料。國外的一家能量存儲(chǔ)研究聯(lián)合中心正在使用計(jì)算機(jī)建模，研究將特定的氧化物材料作為鎂陽極相對應(yīng)的陰極。鎂是非常有優(yōu)點(diǎn)的，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)允許每個(gè)原子接受兩個(gè)電子，這使得鎂可加倍儲(chǔ)存電荷。
還一種思路，琢磨電池的“心臟”——電極/電解液界面。
在所有的環(huán)境因素中，溫度對電池的充放電性能影響最大。發(fā)表在最新一期美國能源學(xué)術(shù)期刊《焦耳》上的研究顯示，中國復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、新能源研究院教授夏永姚帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出耐寒新電池，采用凝固點(diǎn)低、可在極端低溫條件下導(dǎo)電的乙酸乙酯作為電解液，并使用兩種有機(jī)化合物分別作為電極的陰極和陽極。
夏永姚說：“乙酸乙酯電解液和有機(jī)高分子電極讓可充電電池在零下70攝氏度的極低溫條件下工作�！毙码姵氐牟牧铣渥恪⒈阋饲噎h(huán)保，他預(yù)計(jì)這種材料的價(jià)格只有傳統(tǒng)鋰電池電極材料的約三分之一。
要知道，在俄羅斯和加拿大等極寒地區(qū)，溫度低于零下50攝氏度；在太空中，溫度低至零下157攝氏度。而傳統(tǒng)鋰電池在零下20攝氏度時(shí)性能只有其最優(yōu)水平的50%，零下40攝氏度時(shí)只有最優(yōu)水平的12%。
夏永姚對科技日報(bào)記者強(qiáng)調(diào)，新電池目前還是在實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化面臨的主要挑戰(zhàn)是這種電池的單位質(zhì)量能量與已商業(yè)化的鋰電池尚有差距，生產(chǎn)過程還需優(yōu)化，但具顯著應(yīng)用潛力，因此，他的團(tuán)隊(duì)正在努力攻克難題。
對這項(xiàng)研究有網(wǎng)民建議，“特殊要求的專業(yè)電池，不要想著一定取代現(xiàn)有鋰電池，完全可以打差異化市場策略，在軍用、工業(yè)等特殊環(huán)境體現(xiàn)用途�！�
使用石墨烯材料的電池表現(xiàn)出色
既然鋰電池技術(shù)遇到瓶頸，人們就想到一些另辟蹊徑的辦法，間接有效解決用戶對續(xù)航的需求，而在研究中發(fā)現(xiàn)，使用石墨烯材料的電池表現(xiàn)出色。
華為曾在第57屆日本電池大會(huì)上，發(fā)布了以“華為能源”之名亮相的使用石墨烯材料的鋰電池，展示出電池快充技術(shù)，僅用5分鐘就將一塊3000毫安的電池充到了48%的電量，無疑其效果比高通的Quick Charge技術(shù)和OPPO的VOOC閃充技術(shù)更為振奮人心。而且，與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，該電池具有壽命長、耐高溫等多種優(yōu)異特性。
據(jù)介紹，采用石墨烯材料的電池主要優(yōu)勢在于其使用壽命和充電速度。經(jīng)過試驗(yàn)測試，石墨烯電池2000次充放電衰減率15%以內(nèi)，同比普通鋰電池約40-80%，充電速度5000毫安時(shí)的半小時(shí)可以充滿，如果電路設(shè)計(jì)合適，理論上可以5秒以內(nèi)充滿。而華為在電解液中加入高溫抗分解添加劑，配合高溫穩(wěn)定的大單晶正極，大幅提升電池?zé)岱�(wěn)定性。與此同時(shí)，通過利用石墨烯高效散熱的特點(diǎn)，同等工況下電池溫度降低5℃。
目前，隨著電子產(chǎn)品的便攜化發(fā)展，電池也朝小型、輕薄同時(shí)兼具高比能量的方向發(fā)展；而對于在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用，高的體積比能量也意味著一定容積的電池可以裝填更多的活性物質(zhì)。因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，比之質(zhì)量比能量，體積比能量很多時(shí)候更加重要。
1月26日，《自然·通訊》在線發(fā)表了天津大學(xué)化工學(xué)院楊全紅教授團(tuán)隊(duì)的研究工作，在石墨烯的致密組裝中，巧妙應(yīng)用類似變形金剛的“硫模板”，實(shí)現(xiàn)了包裹活性物質(zhì)的碳籠尺寸和形狀的精確設(shè)計(jì)，從而大幅提高鋰離子電池體積能量密度，使其變得“更小”成為可能。
“需要指出的是有稱‘石墨烯電池’的說法，不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)。比較客觀的說法，應(yīng)該是‘使用了石墨烯材料的電池’，石墨烯是一種‘至柔至薄’的碳材料，通過石墨烯的添加或者輔助，可能會(huì)達(dá)到傳統(tǒng)碳材料或者傳統(tǒng)技術(shù)難于達(dá)到的某些功能，而有些時(shí)候電池性能很小幅度的提高對于實(shí)際應(yīng)用而言都是非常重要的�！睏钊t對科技日報(bào)記者說。
