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锂-空气电池的时代会到来吗?

2017-07-24 09:25来源:中科院物理所作者:李夏关键词:锂离子电池锂-空气电池磷酸铁锂收藏点赞

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随着社会科技的发展,人们的衣食住行都离不开能源的支撑。从小物件如手机和笔记本电脑,到交通工具等,都已成为人们生活中不可或缺的一部分。原油等传统能源虽然有着高效的能量输出能力,但其对环境的不友好(如大量二氧化碳排放)等一系列缺点已经成为当今社会不能忽视的问题。而新型能源如太阳能,风能等,虽然有着巨大的潜能,但由于其使用对当时环境的依赖性较强,因此要胜任一些需要持续功能的电子设备(如汽车等)依然存在挑战。因而实现这些的一个支撑力量就要依托于电子储能设备的改进了,也就是应用于不同领域,有着不同体型的电池了[1,2]。

就此近些年来科学家对电池进行了大量的研究,例如碱性电池(比如Fe/Ni电池和Zn/Mn电池)、传统的铅酸电池、锂硫电池,以及倍受关注的锂离子电池。相比其它电池,锂离子电池之所以能受到人们的青睐,是因为其具有比能量大、工作电压高、循环寿命长、自放电低,无记忆和绿色环保等等优点,广泛应用于手机和笔记本电脑等,也是下一代充电式混合动力车和电动车的理想之选。

锂离子电池采用一种类似摇椅式的工作原理,充放电过程中Li+在正负极之间来回穿梭,从一边摇到另一边,往复循环,实现电池的充放电过程。由于各种电化学储能于材料体系与设计不同,技术指标亦有所差异。日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的Li-EAD计划中设定了至2030年蓄电池达到700Wh/kg的高性能指标。目前,锂离子电池还不能达到的该目标,而锂-空气电池的理论计算能量密度可以达到12000Wh/Kg,超过了NEDO提出的指标。在我们详细阐述锂空气电池之前,我们先简要介绍一下锂离子电池。

锂离子电池的原理

锂离子电池由三部分部分组成:正极(通常是层状结构的钴酸锂及钴镍锰锂化合物、尖晶石结构的锰酸锂、橄榄石结构的磷酸铁锂),负极(通常为石墨层)和电解液;其中氧化还原反应发生于正负极,电解液作为传送离子迁移的介质。具体来讲,在放电过程中,锂离子在内部电场作用下通过电解液跑路到正极,同时在负极跑掉的电子则通过外电路流向正极(具体反应是intercalation,感兴趣的同学可以google[3])。在电子从负极到正极的过程中的迁移会做功,这个功也就是用来支撑电子设备工作的能量了。顾名思义,充电的过程就是放电过程的逆过程。

△图1:锂电池工作原理的示意图。(图片来源:[4])

锂离子电池的主要限制

影响锂离子的因素有很多,比如温度、快速充放电、材料的理论容量和能量密度。其中能量密度和理论容量是限制锂离子电池的两个主要方面。这里我们先来说一个重要的概念——能量密度(EnergyDensity)。能量密度,也称比能量,书面解释是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小,通俗点说就是指单位体积或单位质量所包含的能量[5]。在电池行业,它通常用来比较单位重量的电池所储存的电量。比如现有商用电池中能量密度比较高的锂离子电池,其能量密度约500Wh/Kg,如前文所述,这样的能量密度不足以替代汽油(能量密度约13000Wh/Kg)用来实现汽车的纯电动化。

没有比较就没有伤害,传统锂离子电池能量密度(0.05-0.1kwh/Kg),只有车用汽油的能量密度(13kwh/Kg,雪佛兰沃蓝达[6])的1%不到!相对于传统能源如此低效的锂离子电池为什么又这么受到人们的青睐和认可呢?

原标题:锂-空气电池的时代会到来吗?
投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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