2020年，電池領(lǐng)域的十大科技突破
鋰離子電池的發(fā)展是現(xiàn)代世界發(fā)展進(jìn)步的推進(jìn)器，人們對(duì)如何提高電池性能保持著高度關(guān)注，科研人員正在不斷探索各種途徑來(lái)優(yōu)化電池的性能。無(wú)論是制造世界上最快的電極，用核廢料制造電池部件，還是借助聲波防止火災(zāi)危險(xiǎn)，在2020年，科學(xué)家向我們展示了開發(fā)下一代儲(chǔ)能技術(shù)方面他們是多么富有想象力。
科研人員探究了很多改進(jìn)電極性能的方法，比如，添加少量的石墨烯使電解質(zhì)變得更加硬固、先進(jìn)的材料是如何實(shí)現(xiàn)電池快速充電或提供更高的能量密度。。外媒Newatlas網(wǎng)站評(píng)選出電池領(lǐng)域的十大科技突破，下面和鋰電前沿小編一同看看這些研究的亮點(diǎn)以及一些顛覆性、跳脫于常規(guī)思維定式的電池設(shè)計(jì)？
今當(dāng)電池計(jì)及化學(xué)行業(yè)發(fā)展是受高度關(guān)注的科研領(lǐng)域，在2020年間科研人員提供了許多改進(jìn)設(shè)備的方法，且這些設(shè)備將會(huì)在未來(lái)的幾年內(nèi)得到改進(jìn)。
鋰金屬材料的開發(fā)和應(yīng)用
通過(guò)引入新材料來(lái)提升電池性能有很多的選擇，其中一種選擇是具有巨大的開發(fā)潛力鋰金屬。有人把鋰金屬描述為一種“夢(mèng)幻材料”，用鋰金屬作為陽(yáng)極來(lái)代替目前使用的石墨和銅，可以顯著提高電池的能量密度，使電池能夠工作更長(zhǎng)的時(shí)間以及儲(chǔ)存更多的能量。
但使用鋰金屬最大的問(wèn)題是安全性。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰金屬表面會(huì)形成樹突狀鋰枝晶，進(jìn)而導(dǎo)致電池短路、起火，最終導(dǎo)致設(shè)備故障。在2020年有一些解決這個(gè)問(wèn)題的新方法，其中一個(gè)是華盛頓州立大學(xué)教授Min-Kyu Son，他們防止鋰枝晶形成的方法是在陰極和電解質(zhì)溶液中加入某種化學(xué)物質(zhì)，在鋰金屬陽(yáng)極表面形成保護(hù)層，使其在500次的充放電循環(huán)中保持穩(wěn)定。值得一提的是，這個(gè)過(guò)程可以集成到現(xiàn)有的制造程序中，以便于大規(guī)模生產(chǎn)制造。
無(wú)枝晶的固態(tài)電池
12月，加州電池制造商QuantumScape公布了用于電動(dòng)汽車的固態(tài)鋰金屬電池的一些性能數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示：一輛平板電動(dòng)車能在短短15分鐘內(nèi)就可以充電到80%。該公司聲稱可以做到部分原因是：使用了固體電解質(zhì)而非液體電解質(zhì)，以及由鋰金屬制成的陽(yáng)極在充電時(shí)，這種陽(yáng)極會(huì)自身形成隔離物，有效避免了枝晶問(wèn)題。
這種電池具有出色的能量密度，大約是特斯拉3型鋰電池的四倍，容量為1千瓦時(shí)/升。在重量方面，這款電池還提供了380至500瓦時(shí)/公斤的電量，超過(guò)了特斯拉電池組的260瓦時(shí)/公斤。研究還發(fā)現(xiàn)，這種電池在經(jīng)過(guò)800次循環(huán)后仍能保持80%的容量，在電池壽命和安全性方面同比其他電池更為優(yōu)越。
聲波方面的探究
今年2月，加州大學(xué)圣地亞哥分校的一組研究人員探索出了一種頗具想象力的方法來(lái)防止鋰金屬電池中的枝晶生長(zhǎng)。該研究小組制造了一個(gè)微型超聲波裝置，并將其整合到鋰金屬電池中，使其能夠通過(guò)液體電解質(zhì)發(fā)送高頻聲波，使其流動(dòng)平緩，這將有助于在陽(yáng)極上形成整齊、均勻的鋰分布，而不是形成導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)的不均勻團(tuán)塊。在測(cè)試中，這種配備了超聲波的電池可以在10分鐘內(nèi)從0%充電到100%，并在250次充電循環(huán)中保持穩(wěn)定，再次預(yù)示著鋰金屬電池的安全性提高。
一種快充電池
德州農(nóng)工大學(xué)的科學(xué)家展示了一種裝置，這種裝置采用了由碳納米管制成的微小支架作為陽(yáng)極，這是科學(xué)家們就如何實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池的又一個(gè)例子。這些分子與鋰離子結(jié)合在一起，有助于避免在表面形成樹突。
雖然這種設(shè)計(jì)在安全性方面與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相差無(wú)幾，但這種電池結(jié)構(gòu)也被證明了這種電池能夠產(chǎn)生更大的電流。事實(shí)上，它的體積要比傳統(tǒng)電池大得多，以至于研究小組報(bào)告說(shuō)，這個(gè)裝置能處理的電流是傳統(tǒng)電池的五倍，這就提供了一種電池能短時(shí)間充滿電的研究方向。
添加硅元素
雖然鋰金屬作為一種陽(yáng)極材料具有很大的潛力，但其他金屬也具有可開發(fā)的前景。硅就是其中之一，它的鋰離子儲(chǔ)存能力是當(dāng)今石墨和銅的四倍，但容量往往會(huì)迅速下降。
在六月份，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究所的科學(xué)家們使用了一種稱為鋰預(yù)加載的技術(shù)來(lái)提高電池的壽命，這包括將硅陽(yáng)極浸入一種特殊的溶液中，使電子和鋰離子滲入電極，以彌補(bǔ)循環(huán)過(guò)程中的損失。
大多數(shù)硅基負(fù)極在最初的充電循環(huán)中鋰離子流失超過(guò)20%，而這種新陽(yáng)極在測(cè)試過(guò)程中流失不到1%。它的能量密度也比市面上的同類產(chǎn)品高出25%。
微波和鹽的開發(fā)和應(yīng)用
塑料瓶是一個(gè)巨大的廢物來(lái)源，但科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種將其用于下一代電池的方法
另一種具有巨大潛力的電池化學(xué)物質(zhì)是鈉離子，但原因截然不同。鋰金屬比較稀有，開采鋰成本高昂，而且對(duì)環(huán)境有害。而世界上鹽的來(lái)源廣泛，可以有機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)化成成本更低的電池，應(yīng)用于電網(wǎng)等。在四月份，電池的一個(gè)重要部件被發(fā)現(xiàn)可以同樣從豐富的材料中獲得。
Purdue大學(xué)的科學(xué)家們能夠從可回收的PET塑料還原成薄片，然后用超快微波輻射處理，使其變成一種被稱為對(duì)苯二甲酸二鈉的物質(zhì)，這種有機(jī)小分子有著優(yōu)異的電化學(xué)性能，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是一種潛在的陽(yáng)極材料，研究小組稱它是鈉離子電池組件的一部分。
首席研究員維拉斯·波爾說(shuō)：“源于社會(huì)對(duì)氣候變化和能源資源限制的關(guān)注和日益增強(qiáng)的意識(shí)，我們正在解決可再生能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存激增的問(wèn)題。”
來(lái)自海洋的靈感
在蝦殼中發(fā)現(xiàn)的幾丁質(zhì)已被用于生產(chǎn)一種可持續(xù)的流動(dòng)電池電極
為可再生能源提供電網(wǎng)規(guī)模存儲(chǔ)解決方案的另一種替代電池設(shè)計(jì)是氧化還原液流電池。這些裝置不是將能量?jī)?chǔ)存在電池內(nèi)部，而是將能量?jī)?chǔ)存在巨大的外部槽中的液體電解質(zhì)中，這意味著通過(guò)增大槽的尺寸可以增加儲(chǔ)存潛力。
今年6月，麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究小組演示了如何用更可持續(xù)的材料制造這些電池的關(guān)鍵構(gòu)件。幾丁質(zhì)是一種類似纖維素的多糖，存在于蝦殼中，研究人員能夠?qū)⑵渑c毛氈結(jié)合使用，為具有更高能量密度的氧化還原液流電池制造電極。
這項(xiàng)研究的資深作者弗朗西斯科·馬丁·馬丁內(nèi)斯說(shuō)：“它的好處不僅在于其良好的性能，而且在于起始材料的低成本，并且考慮了廢物的再利用，這使得電極更具有可持續(xù)性價(jià)值。”
充分利用地心引力
大規(guī)模儲(chǔ)存可再生能源的另一個(gè)解決辦法可能在于重力的利用。蘇格蘭公司Gravitricity正在開發(fā)一種新型的儲(chǔ)能系統(tǒng)，它由巨大的砝碼、強(qiáng)大的絞盤和纜繩組成。能量來(lái)自于重物從一根轉(zhuǎn)動(dòng)絞車并發(fā)電的軸上落下。
在短短的15分鐘內(nèi)制造出的能量，可持續(xù)輸出功率長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)，峰值輸出之間的1至20兆瓦。這將是一個(gè)低成本、可持續(xù)的能源解決方案，該公司正在加緊建設(shè)一個(gè)原型系統(tǒng)，這將在2021年底于愛丁堡完成測(cè)試。
利用石墨烯增加硬度
在六月份，另一種固態(tài)電池的研發(fā)受到高度關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，將液體電解質(zhì)換成固體電解質(zhì)，以獲得更高的能量密度，但這通常就會(huì)導(dǎo)致電池的破裂和被腐蝕。
布朗大學(xué)的一個(gè)研究小組通過(guò)研究石墨烯材料來(lái)尋求解決此問(wèn)題的方案，他們將少量石墨烯添加到陶瓷材料中，形成一種新型固體電解質(zhì)，他們聲稱這種電解質(zhì)是迄今為止最堅(jiān)硬的。這項(xiàng)研究的新奇之處在于石墨烯具有很高的導(dǎo)電性，這對(duì)于電解質(zhì)來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)好的性能指標(biāo)，但是他們將石墨烯的濃度保持在足夠低的水平，找到了一個(gè)阻止石墨烯導(dǎo)電的最佳點(diǎn)，并且仍然能夠提供很高的硬度。
世界上最快的電極
電池性能取決于一個(gè)離子能夠把電荷攜帶到多遠(yuǎn)；左邊是一個(gè)典型的，混亂的電極結(jié)構(gòu)的描述，一個(gè)離子必須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離和迂回的距離。右邊是垂直排列的碳納米管結(jié)構(gòu)的剛性結(jié)構(gòu)，它將每一小塊活性物質(zhì)和其中的離子直接連接到集電器
所有的電池都有一對(duì)電極，即陰極和陽(yáng)極，電流通過(guò)它們流動(dòng)，而這些通常都是雜亂無(wú)章的結(jié)構(gòu)，離子需要攜帶電荷在復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)動(dòng)。超級(jí)電容器制造商N(yùn)awa在10月份推出了自己的電極設(shè)計(jì)，提供了一種更為快捷的離子傳輸通道。
這種電極由一個(gè)垂直排列的結(jié)構(gòu)組成，類似于梳子的結(jié)構(gòu)，1000億個(gè)高導(dǎo)電性的碳納米管豎立在螺栓上，并涂上活性材料，如鋰離子。這等于為移動(dòng)的離子創(chuàng)造了一條高速公路，使它們能夠以更方便的方式進(jìn)出電池。
實(shí)際上，該公司表示，它的電極可以將電池的充放電效率提高10倍，可實(shí)現(xiàn)在5分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)0-80%的充電。與此同時(shí)，能量密度可能會(huì)躍升兩到三倍。
Nawa表示：其生產(chǎn)這些電極的工藝成本低廉，并有信心與現(xiàn)有的電極相比更具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。該公司預(yù)計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)將于2022年開始進(jìn)入市場(chǎng)，到2023年后能開發(fā)出更加先進(jìn)的技術(shù)系統(tǒng)。目前，該公司正與多家汽車公司就此展開商談，在法國(guó)已經(jīng)找到了大客戶Saft。