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科学技术日新月异,电池技术为何一直无突破?

最新更新时间:2016-09-27
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本文来自来自腾讯科技和知乎的相关资料整理

 

据外国媒体报道,目前国内外都加强了对于新型电池体系的研究力度,但遗憾的是,至今为止,始终没有一种更好的电池体系面市。其原因非常简单,这些新型的化学公司由于新型电池未来的不确定性,并不急于将这些产品推向市场,正处在其完全工业化前的纠结观望时期。

在今年年初的时候,美国能源部替代能源高级研究计划(ARPA-E)主要负责人艾伦·威廉姆斯(Ellen Williams)在一夜之间登上了各大媒体的新闻头条。他在接受英国卫报记者采访的时候告诉记者说:“我们已经在电池体系领域取得了重大的突破。”

 

业界相关进展

 

尽管目前美国能源部替代能源高级研究计划所支持的75个以上的能量存储方面的研究项目已经取得了一系列的研究进展,但是在制造低成本、结构小巧简洁的储能设备方面,仍然难以取得突破性的进展。

 

非常多的新型创业公司都更加接近于具有能制备出一种集经济、安全、结构简洁、高能量密度于一体并且能够保障其成本低于100美元每千瓦时的储能设备的能力。但是如果想要把能量存储设备的价格控制在100美元每千瓦时以下,那么必然会引发一个电偶腐蚀效应(电偶腐蚀效应是由于腐蚀电位的不同,造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀)。所以如果想要克服这些问题,就需要利用可在生能源,尽管像太阳能、风能等这些可再生能源使得电动汽车变得更加轻便简洁,成本也更加低廉,但是这些可再生能源只有在阳光普照,或者狂风肆虐的时候才可以使用。

 

因此这些电池始终没有得到完全的商业化,现在所有工作的重中之重就是不断加快化石原料向可再生能源的转变,加快其工业化、市场化的步伐。特斯拉公司首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk),一直强调新型技术革新的公司高层管理人员,现在,也不得不承认,目前汽车制造商对于原有锂电池进行改造与提升方面取得的研究进展,并不是一个重大的技术突破。

事实上,大多数的研究人员都相信,想要使得能源存储得到实质性的进展,必须要采用一种全新的化学和物理的形式。也只有这样才能超越锂离子电池几十年来在消费类电子产品、电动汽车以及网络规模存储系统等方面取得的一系列巨大的成就。今年五月份,美国能源部举办了一个主题为“超越锂离子电池”的主题研讨会。事实上,这已经是第九次强调技术的革新,也是向技术创新迈进的又一次尝试。

 

固体能源系统创始人齐超虎宣布,已经研制出了一种新型的锂金属电池(该电池的阳极是由金属材料充当,而不是传统意义的锂离子电池中使用的石墨材料),该电池显著的提高了电池设备的能量密度,大大的超越了目前市面上的电池设备。

 

齐超虎说:“在长达十几年的新电池系统研发过程中遇到的最主要的障碍就是:如何把一个想法顺利的转换成一个产品,而这对于电池系统来说更是难上加难,因为很有可能你提高了某一个各方面的性能,但是你又不得不付出另一个方面性能下降的代价,如何寻求其中的平衡是一件异常困难的事情。”

 

除此之外,能量存储方面的研究还存在一个多样性的难题:目前存在着相当多的电池技术,从泡沫电池系统到流体电池系统再到外来化学品系统,如此众多的电池技术,却没有任何一种技术能够脱颖而出,吸引最多的资金支持以及科学研究,这也导致了研究的分散性与不确定性。

 

根据卢克斯研究的最近一项分析表明:目前在能源储存方面的投资已经超过了40亿美元。一些新型的创业公司研发的下一代电池——ie电池在过去的八年时间里已经超过了传统的锂离子电池,获得了超过4千万美元的资金支持。与此同时,特斯拉将会对其生产锂离子电池的Giga工厂进行超过50亿美元的投资,而这个投资数量是很难超越的,其投资缺口也是很难补平的。

 

美国加利福尼亚大学伯克利分校的材料学教授戈尔德·西德(Gerd Ceder),他带领一个研究小组对新的电池体系技术进行了多年的研究。西德在采访中称:“如果想要建立一个小型的生产线,并且对所有的细节进行研究来制备出我们所需要的产品,这一整个过程下来,大概需要花费5亿美元的前期资金。汽车制造商们在对一个新的产品做出出售决定之前,都会花费几年的时间对其新的电池体系进行测试,但是设想一下,有那个公司愿意在只有每年5千万美元资金支持的情况下,投资5亿美金来对新电池体系进行投资呢?”

 

即使是新型电池体系制造商们愿意努力将新型技术推向市场,但随之而来的将是一系列关于如何扩大生产、寻找消费者的重重难题。之前的莱顿能源和A123体系最终都在发展更有前途的新型电池体系后,因为其现金需求量迅速攀升,但是,产品的需求量却未达到预期,而以失败告终。与此同时,另外的两个新型创业公司都因为收入难以达到投资者初期预期的价格而在其还未达到大规模生产并且产生可观的收入之前就被其他公司收购。

 

与此同时,世界三大电池制造商三星、LG以及松下公司都以及调整了其投资策略,相较于对一种新型的化学物质以及自由基电池技术的投资而言,三大电池制造商,更倾向于对其原有产品进行改善方面的投资。与此同时,这些新型电池创业公司所面临的主要而又不愿意提起的问题是:在20世纪70年代末首次开发的锂离子电池一直还在不断的完善。

 

技术方面的掣肘

 

从根本上看,电池技术本身并不怎么高深莫测。基本原理还是当年伏打电池,也就是氧化还原反应。翻开高中化学书把电化学章节复习一遍,你就基本可以覆盖80%以上的电池原理。高中化学书上介绍的Zn Cu原电池用的是氢离子,原理和现在锂离子电池一样,只是把正负极材料、电解液换换,氢离子再换成锂离子罢了。

 

但是,原理简单不等于性能可以很容易地提高。电池系统是一个复杂的多变量系统。拿锂离子电池来说,找到适合的氧化还原反应,只是万里长征走完了第一步,只说明能发生如此氧化还原反应的材料有可能作为电池正负极材料,让锂离子在正负极间来回穿梭,从而实现充放电的目的。但这是否真正可行,却受制于太多因素。

 

发生副反应不行,效率太差不行,稳定性不好也不行,因为这样没几圈电池里的锂都被无谓地消耗了,性能不会好。

 

循环稳定性不好也不行,有些电池开始100圈充放电还不错,但是慢慢地效率就越来越差,最后只能达到开始时的一半甚至更低。

 

安全性不好绝对不行,不用解释。

 

材料成本太高不行,衍生出工艺太复杂也不行,什么纳米艺术啥的甭看你文章发多高,玩出什么花来,只要用成本一砍, 只要一刀就死了。成本低,性能过得去,九死一生;成本高,十死无生(除非是用到心脏起搏器等不计成本的医疗器械中)。

 

充放电速率问题,由于锂离子在电池中的扩散是一个动力学上的受制过程(也就是慢过程--请复习物理化学相关内容)。所以原理上讲不可能通过增大电流来提高充放电速率(这是现在很多号称能快速充放电电池的手段)。加大电流,电池外做功回路(电子)电流密度增大,但电池内部锂离子的扩散由于比较慢,根本跟不上这个节奏,所以必然要牺牲性能。一分钟充电的电池当然可以做出来,但是性能可能只有3小时充电容量的1/4。而且还没有考虑大电流带来的安全隐患(会起火爆炸)。

 

可能有人会问,为什么锂离子扩散速率这么慢,因为锂离子在电池内的扩散不像电子在金属导体中运动那么简单飘逸,导带和价带重叠,自由电子运动那叫一个酸爽。但锂离子从负极到正极的运动(放电过程)是先从负极(固体)费劲吧唧地脱出,进入粘糊糊的液体(有机电解液)或有机高分子或其他固态电解质,锂离子游完泳上岸再进入固体--正极材料。这种固----固的反应你可以想象有多慢,这还不算要穿过隔膜(绝缘高分子,避免电池内正负极接触造成短路),两次穿过固液界面,任何微小的表面副反应都会雪上加霜。

 

因此电池这个系统原理简单,但是进一步提高性能,取得革命性突破非常困难。需要解决科学和工程的一系列问题,涉及到化学、物理、表面、界面、结构、热力学、动力学等交织在一起的诸多问题。电池系统根本不能用摩尔定律,我们现在用的电池和1990年代的差得并不太多。你打开iPhone iPad一看就明白了,所有主板电路越来越小,电池占了一大半。苹果最新的超薄pro大家都看到了,那薄薄的壳下面就是几层电池。这种尴尬估计还要持续很多年。

 

无论是移动电子产品、电动汽车乃至大规模储能,大家对未来电池的要求都差不多--能量密度高,性能稳定,安全可靠,寿命长,充电速度快,而且要便宜,环保。某种新材料或能满足其中若干项,但满足所有要求确实难度极高。

 

做理论模拟的已经把元素周期表和晶体数据库翻了不知道多少遍了,能合成出来的加上根本合成不出来(不稳定)的潜在目标现在看起来依然有这样那样的问题,而且用上述诸多要求一卡,发现甚至远不如目前市场上的流行材料。

 

相对于负极材料来说,正极材料更是瓶颈中的瓶颈。有忽悠者经常忽悠一些新概念,比如锂空气,镁电池,铝电池,这些要么纯扯淡(锂空),要么需要从头开始开创一个全新体系(如镁电池),难度异常大。

 

电池研究是材料学中的硬科学,需要最起码对无机化学,晶体学,电化学,物理表征分析如XRDXPS,磁性,中子衍射,红外热重拉曼核磁,乃至同步辐射相关的X-ray吸收谱,甚至DFT计算都要有所了解或精通若干。需要有从最基本的化学合成到最终电池器件的组装之动手能力。这些要求一个人几乎不可能达到,需要团队的努力和合作。

 

如此大投入还需要找到一个明智有前途的方向,否则就白搞了。比如IBM团队花了好几年时间研究锂空,最后发现悲剧了,结果项目被砍掉。

摩尔精英


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