現(xiàn)在很多人放棄選擇電動(dòng)汽車(chē)的原因,是其續(xù)航或補(bǔ)能設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足消費(fèi)者需要。雖然目前電動(dòng)汽車(chē)所使用的鋰離子
電池可以支持車(chē)輛行駛數(shù)百公里,但是充電不方便、速度慢、有安全隱患的問(wèn)題依舊存在。
最近一年,關(guān)于新型電池研發(fā)的新聞層出不窮,包括固態(tài)電池、鈉離子電池等等。目前各國(guó)科學(xué)家及研發(fā)機(jī)構(gòu)也在尋找克服鋰離子電池缺陷的解決方法,改善使用痛點(diǎn)。
短路的元兇究竟是誰(shuí)?
離子電池最早由索尼在1991年推出,其原理是依靠離子在電極間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生能量。與傳統(tǒng)鉛酸電池相比,其效率更高,擁有大概三倍于鉛酸電池的使用壽命—15到20年。
而且,鋰離子電池重量更輕、能量密度更高,更加適合用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)。
與其優(yōu)點(diǎn)比起來(lái),鋰離子電池的缺點(diǎn)很少,但是每個(gè)缺點(diǎn)都十分致命。
這其中嚴(yán)重的,就是鋰離子電池內(nèi)部的枝晶。電動(dòng)汽車(chē)由于電池自燃引發(fā)的事故比比皆是,而自燃的主要原因,就是電池內(nèi)短路。
電池內(nèi)短路的起因有三種:機(jī)械因素,由于外力導(dǎo)致電池變形而發(fā)生內(nèi)短路;熱因素,高溫?fù)p壞電芯隔膜導(dǎo)致電池正負(fù)極接觸發(fā)生內(nèi)短路;電因素,由于鋰枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致的內(nèi)短路。這其中,電因素是最無(wú)法防范的,因?yàn)槠駷橹寡芯咳藛T還沒(méi)有完全搞清楚鋰枝晶的產(chǎn)生原理。
但是最近桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與賽默飛世爾科技公司、俄勒岡大學(xué)以及勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作,通過(guò)對(duì)鋰金屬紐扣電池進(jìn)行試驗(yàn),得到了更進(jìn)一步的數(shù)據(jù),可能會(huì)幫助解決鋰枝晶的原理研究問(wèn)題。
通過(guò)使用與電動(dòng)汽車(chē)相同大小的電流,對(duì)鋰金屬紐扣電池反復(fù)充放電,研究人員得到了其中的電池單元并進(jìn)行了分析。
由于紐扣電池的不銹鋼外殼會(huì)限制X射線(xiàn)等探測(cè)手段,桑迪亞納米級(jí)成像科學(xué)家凱蒂·榮約翰(Katie Jungjohann)使用激光來(lái)為探測(cè)信號(hào)開(kāi)路。
他們得到的結(jié)果顯示,鋰枝晶確實(shí)刺穿了隔膜,但是與普遍的猜測(cè)不同,它并不是靠自己刺穿的隔膜。
研究人員發(fā)現(xiàn)每次電池充電時(shí),都會(huì)產(chǎn)生名為固體電解質(zhì)中間相的副產(chǎn)品。這些副產(chǎn)品形成的硬堆積物會(huì)撕裂隔膜,為鋰枝晶的生長(zhǎng)提供空間,從而形成短路。
桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的電池科學(xué)家凱蒂哈里森(Katie Harrison)表示,這種現(xiàn)象只能在電動(dòng)汽車(chē)所需的快速充電時(shí)被觀察到,但是在慢速充電時(shí)并沒(méi)有觀察到相關(guān)現(xiàn)象。
鋰離子是否難以替代?
不只有鋰枝晶,鋰離子電池還面臨的原材料稀少的問(wèn)題。
與其他金屬相比,鋰在地球的含量相對(duì)稀少,隨著汽車(chē)電氣化的進(jìn)展,鋰金屬的價(jià)格也在升高。制作電極所需要的鈷也面臨著相同的問(wèn)題,并且鈷的產(chǎn)地集中在政治不穩(wěn)定的剛果地區(qū),開(kāi)采更加困難。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,目前主要有兩種解決思路。
第一種是回收退役電池中的鋰,不過(guò)目前電池回收所面臨重重的困難。最近Auto Byte寫(xiě)了一篇文章專(zhuān)門(mén)介紹電池回收產(chǎn)業(yè)。動(dòng)力電池退役潮即將來(lái)臨,我們能頂?shù)米幔?/div>
第二種就是尋找替換金屬,目前最受研究人員歡迎的是鈉。鈉在地球上的保有量巨大,并且開(kāi)采提純成本都十分低廉,由于與鋰屬于同主族,二者的化學(xué)性質(zhì)也類(lèi)似,擁有較大的研發(fā)潛力。不過(guò)與鋰相比,鈉更重,制成的鈉離子電池儲(chǔ)能能力也不如鋰離子電池。
換種方式,繼續(xù)使用鋰
除了鋰離子電池,現(xiàn)在也有研究機(jī)構(gòu)在研發(fā)鋰金屬電池。與鋰離子電池不相同的是,鋰金屬電池采用金屬鋰作為負(fù)極,依靠金屬鋰的氧化反應(yīng)產(chǎn)生電能;而鋰離子電池使用石墨作為負(fù)極,以含鋰化合物作為正極,依靠鋰離子不斷獲得、失去電子來(lái)實(shí)現(xiàn)電能傳輸。
二者在性能上也存在較大差別,與鋰離子電池相比,鋰金屬電池?fù)碛袔缀鮾杀兜哪芰棵芏龋亓恳哺p,這使得鋰金屬電池在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力更大。
不過(guò)目前,鋰金屬電池距離商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段距離。其面臨三個(gè)主要問(wèn)題:鋰枝晶、「死鋰」以及體積改變,這三點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致鋰金屬電池循環(huán)壽命極短。
與鋰離子電池不同,鋰金屬電池中的鋰離子獲得電子后,直接以金屬鋰顆粒的形式,附著在負(fù)極上,從而形成枝晶狀圖案。
「死鋰」則是由于微小鋰顆粒掉落后,被名為SEI的絕緣層包裹,從而喪失活性,無(wú)法逆轉(zhuǎn)為活性鋰,導(dǎo)致電池中鋰源持續(xù)減少,電池容量持續(xù)降低。
SEI層為金屬鋰電極與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生了覆蓋于電池表面的鈍化層,它可以允許某些分子通過(guò)并阻攔另一些分子。
體積改變是由于金屬鋰與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng),使沒(méi)有受到SEI層覆蓋的鋰金屬持續(xù)溶解,發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的腐蝕。
所以延長(zhǎng)金屬鋰電池的使用壽命,形成更良性的SEI層至關(guān)重要。
金屬鋰電池的最新改良
近日,由美國(guó)西太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)領(lǐng)導(dǎo)的電池500研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章稱(chēng),當(dāng)使用更薄的鋰條用作負(fù)極時(shí),電池壽命得到了極大延長(zhǎng),經(jīng)過(guò)600次循環(huán)充放電后,仍有76%的電池容量。而兩年前,僅僅經(jīng)過(guò)200次的循環(huán)電池壽命就會(huì)耗盡。「根據(jù)不同的電量與設(shè)計(jì),每個(gè)鋰金屬電池都有其不同的最優(yōu)厚度!股鲜鑫恼碌耐ㄓ嵶髡咝そ埽ㄒ糇g)表示。
在文章中研發(fā)團(tuán)隊(duì)介紹道,在更厚的鋰條上,無(wú)法生成良性的SEI層。他們把SEI分為「干SEI」與「濕SEI」,分別對(duì)應(yīng)有害與良性。
如果鋰條過(guò)厚,液體電解質(zhì)就無(wú)法覆蓋完整的鋰條,導(dǎo)致部分鋰條變得「干燥」,從而生成易破碎的干SEI層,此SEI層破碎后負(fù)極鋰金屬會(huì)和電解液發(fā)生反應(yīng),降低電池壽命。而良性的SEI層不僅可以防止負(fù)極與電解液發(fā)生反應(yīng),還可以抑制鋰枝晶生長(zhǎng)。
雖然關(guān)于金屬鋰電池的研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室,但我們每天都能看到海內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)對(duì)于不同形態(tài)電池的測(cè)試進(jìn)展以及技術(shù)突破。在短時(shí)間內(nèi),鋰離子電池枝晶問(wèn)題可能還是無(wú)法解決,鋰金屬電池距離商業(yè)化應(yīng)用也還有很長(zhǎng)的距離,但是可以確定的是,鋰在電池行業(yè)的地位仍無(wú)法被取代,而且會(huì)在技術(shù)日新月異的今天被一步步修正短板。
(責(zé)任編輯:子蕊)
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