未來,全球經濟對鋰離子電池的需求將急劇上升。電動汽車,建筑業和筆記本電腦,智能手機和電動工具都依賴電池。很快就會有另一個領域需要更大規模的可充電電池:可再生能源的存儲。


越來越多的臨時可用綠色電力已無法再存儲在泵存儲發電廠中,僅靠擁擠的電網很難做到這一點。由于地理位置的原因,在世界上的某些地區,抽水蓄能電站是不可行的。

鋰離子電池之后 還有哪些蓄電池具有商業化前景?

經濟實惠的固定式蓄電池將因此成為熱門商品。它們應盡可能使用環保材料制成,以免進一步拉緊鋰離子電池中存在的鋰,鈷或其他昂貴金屬的世界資源。


Empa和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員Kostiantyn Kravchyk和Maksym Kovalenko更加仔細地研究了鋰離子電池的可能替代品。他們分析了世界各地研究小組的許多科學出版物,并系統地進行了自己的實驗。


他們的評估已發表在《新化學雜志》上(“后鋰離子電池的挑戰和益處”)。


蓄電池必須便宜且環保,尺寸和重量不太重要。


從鋰轉向鈉?


最簡單的想法之一就是用鈉代替鋰。這種元素很常見:氯化鈉存在于海水中,在世界范圍內都可以使用。但是由于鈉離子比鋰離子大約50%,因此鈉陰極材料顯示出較差的電化學循環性能。


例如,作為鈷酸鋰的鈉離子類似物的鈉鈷氧化物(即,鋰離子電池的常規陰極材料)可以維持更少的充電周期。這基本上消除了成本優勢。


在電池的另一側,陽極材料也存在問題。石墨(如鋰離子電池中的)不適合鈉電池使用,因為它無法存儲足夠的鈉離子。用便宜的錫,銻或磷進行的測試顯示出良好的電荷存儲性能,但是在充電時,陽極膨脹百分數至其原始體積的三倍左右。


這會損害機械穩定性:受到沖擊時,膨脹的材料很容易崩解,并且會損壞電池。對于磷陽極,情況變得更糟:在充電時,陽極中會形成磷化鈉(Na3P7),磷化鈉與水一起生成磷化氫:一種劇毒的氣體,會導致呼吸停止。難以置信的是,任何人都希望在自己家中擁有這種充滿太陽能的電池。


鎂呢?


在化學元素周期表中,鎂緊挨著鈉。它是一個很小的輕原子,可以一次轉移兩個電子。鎂便宜且無毒??梢杂脕碇圃祀姵貑??在電池的陽極側,鎂具有優點:不需要石墨(如鋰離子電池),而可以使用鎂箔作為陽極。


然而,小的,雙電荷的鎂離子在陰極側帶來缺點。小直徑上的高電荷會導致高電吸引力。例如,離子僅以很大的力滑入氧化鈷晶格中,并且如果將其固定在此處,則很難再次將其提取出來。


任何試圖用力(即用更高的電壓)這樣做的人都有引發電池化學成分氧化和還原過程,從而將其破壞的風險。除此之外,逆轉化學過程所必需的高電壓使這些電池效率很低。


結果,這種電池不能高速充電,并且如果要長時間使用,只能在較小的電壓范圍內使用。

鋰離子電池之后 還有哪些蓄電池具有商業化前景?

鋁石墨電池


如果我們在元素周期表中走得更遠,鋁將是下一個。這種金屬也可以大量,無毒且廉價地獲得。它可以一次轉移三個電子。類似于鎂電池,陽極易于制造:只需鋁箔即可。


但是其余的鋁電池在根本上不同于鋰離子電池:鋰離子電池采用“搖椅”原理。放電時,鋰離子從陽極遷移到陰極;充電時,它們會回到陽極。相反,在鋁石墨電池中,沒有Al3 +離子從正電極到負電極的單向運動。


取而代之的是,在兩個電極對電池進行充電時,都會從氯鋁酸鹽離子液體(電解質)中“消耗”鋁物質。電解質因此起著雙重作用:它提供了鋁,其被沉積在陽極金屬的形式,并作為的AlCl的源4 -充電期間所需的嵌入到正電極石墨離子。


因此,電解質的量對于電池的容量至關重要。因此,由于鋁石墨電池的化學工作原理,其重量將是可比鋰離子電池的五倍左右。除此之外,石墨陰極在每次充電過程中膨脹到其原始體積的兩倍以上,并在放電過程中再次收縮。


這意味著:在任何情況下,此類電池都需要柔軟的具有保護性的外殼,并具有足夠的空間來“呼吸”。膨脹和收縮也影響耐沖擊性和長期穩定性。在陰極的構造中這可能需要補救。


新電池管理


另一個挑戰將是非鋰離子電池的充電算法。由Kravchyk和Kovalenko領導的團隊發現,通過熟練的逐步充電,可以將鋁-石墨電極的性能提高25%。


在臺灣,中國大陸,美國和德國工作的研究小組發現,冷卻至–10攝氏度時,這種電極的功能明顯增強。這些結果說明,必須與這些化學上完全不同的電池類型并行開發全新的電池管理系統,即新的傳感器,充電器和算法。


尚不清楚上述哪種電池技術將占上風,一天之內可以在某些地區替代鋰離子電池。研究人員在評估中強調,就能量密度而言,這些技術都無法與鋰離子電池競爭。將來這種情況不太可能改變。


因此,這些類型的替代電池僅適用于應盡可能便宜地存儲電力并且重點在于電池的可持續生產的應用。


需要更多的應用研究


因此,如果替代電池技術要勝過優質的舊鋰離子電池,則全世界的研究小組仍有許多工作要做。Kostiantyn Kravchyk和Maksym Kovalenko呼吁采用更全面的方法?!巴ㄟ^研究人員的實驗,研究人員通常只證明一個想法的可行性,所有必需組件的成本和整個電池系統的估計總重量都被忽略了,” Kravchyk說。


但是,正是這些參數對于可能的商業化至關重要。


“因此,與迄今為止相比,應該在研究中給予他們更多的考慮?!?


盡管他們的研究有些發人深省,但Kostiantyn Kravchyk將來仍將繼續研究替代蓄電池。


“使用石墨作為陰極材料的系統很有趣。我們已經能夠證明正極材料的膨脹和收縮是可以解決的問題?!?


現在,他與他的同事們正在探索“半固態”石墨電極,這種電極可以持續很長時間并且同時可以很好地傳輸電流。


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