能量密度是評價(jià)電池最重要的指標(biāo)之一嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-10 09:09
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同等質(zhì)量的電池，誰能存儲(chǔ)更多的電能，誰的能量密度就高。美國能源部曾經(jīng)為鋰離子電池規(guī)劃了一個(gè)路線圖，原定希望在2017年，鋰電池的能量密度可以達(dá)到每千克400瓦時(shí)。這一數(shù)值意味著，現(xiàn)有的電動(dòng)車通過單次充電可以持續(xù)跑500公里以上。然而，目前最優(yōu)秀的商用鋰離子電池也僅達(dá)到了預(yù)期的75%[1]。
安全有隱患
其次，在安全性方面，鋰離子電池長期受人詬病。特別是三星手機(jī)的爆炸事故，把鋰離子電池推到風(fēng)口浪尖。
鋰電池的安全隱患源自于對高溫的敏感。一般來說，鋰電池設(shè)備使用溫度需要低于60℃。工廠在安全測試時(shí)， 會(huì)將電池置于80℃的環(huán)境中進(jìn)行高溫耐久考驗(yàn)，沒有明顯的變形或起火，就算是合格。還有一種比較極端的條件叫做熱濫用測試：將電池放入130℃試驗(yàn)箱中，堅(jiān)持半小時(shí)不起火，即算達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)[2]。
截至目前， 媒體報(bào)道過的鋰離子電池“致死”的事故有三起：
2009年，中國廣州一男子疑似因手機(jī)爆炸，造成大出血死亡。隨后調(diào)查發(fā)現(xiàn)其實(shí)是該男子隨身攜帶的自制火藥發(fā)生爆炸，而不是手機(jī)[3]；
2013年，澳大利亞一名四歲女童，因?yàn)橥萄室幻朵囯姵?，造成胃出血死亡[4]；
2016年，美國印第安納州兩人醉酒駕駛電動(dòng)車，高速撞到一棵大樹，隨后發(fā)生起火，一人因吸入濃煙致死，另一人因?yàn)樽矒糁滤繹5]。鋰離子電池造成致傷的案例報(bào)道也有不少。
但是，如果我們梳理一下鋰電池這幾年“造的孽”，會(huì)發(fā)現(xiàn)其中絕大多數(shù)都是“非正常操作”造成的事故。有史以來，殺人最多的事物可能是刀子，但很少聽到對刀子安全性的抱怨。一方面是人們發(fā)明了刀鞘，另一方面也是因?yàn)榇蠹叶贾廊绾问褂盟?/div>
第三，造成鋰離子電池成本居高不下的原因有兩個(gè)方面。一是原料太貴。2016年，作為鋰電池主要原料的碳酸鋰，僅用半年時(shí)間價(jià)格就翻了2.5倍。當(dāng)年要是買那么十幾噸碳酸鋰，比炒房掙錢。二是鋰電池的生產(chǎn)尚未規(guī)?；鞔髲S商都在各自為政。這時(shí)，特斯拉又站了出來。他們正在建造了一座千兆工廠（Gigafactory）。這家工廠又叫做超級電池工廠，建成后將成為世界面積最大的建筑。它的任務(wù)就是生產(chǎn)鋰離子電池，并以一廠之力超過全球其他所有工廠產(chǎn)量總和，希望以大規(guī)模生產(chǎn)的方式降低成本。然而，這個(gè)大工廠距離全面投產(chǎn)的階段為時(shí)尚早。
如上，性能，安全，價(jià)格這三座大山橫亙在鋰離子電池的未來之路上。科學(xué)家們也不確定鋰離子電池在移動(dòng)儲(chǔ)能領(lǐng)域中霸主地位能延續(xù)到何時(shí)。
如果，鋰離子電池的后續(xù)乏力，那么，下一個(gè)登場的領(lǐng)跑者會(huì)是誰呢？
3
3種未來
目前，后備選手都很多，比如鈉離子電池，多離子電池，金屬空氣電池，鋰硫電池和液流電池等等。每一項(xiàng)技術(shù)都有自己的優(yōu)勢和不足。下面，就介紹三種潛力較大的電池。
鈉離子電池
鈉(Na)離子電池工作原理與鋰離子電池類似，只不過將電荷的搬運(yùn)工換成了鈉離子。采用鈉的最大好處就是儲(chǔ)量豐富。鈉的總儲(chǔ)量是鋰的400倍。
鈉（Na）是最常見的堿性金屬，也是地球上第六豐富的元素。
此外，在電池中有一個(gè)份量很大的部件叫做集流體，用來收集產(chǎn)生的電流，再將這些電流供應(yīng)到外電路。鈉離子電池中集流體的材料是鋁，而鋁在鋰電池中會(huì)被腐蝕，所以鋰離子電池的集流體只能采用銅來制作。鋁的價(jià)格是銅價(jià)格的三分之一。所以，鈉自己便宜，他的小伙伴也很便宜。這個(gè)特點(diǎn)促成了鈉離子電池在成本上的巨大優(yōu)勢。
但鈉離子電池體系的缺點(diǎn)也很明顯。
第一，鈉離子的半徑是0.102nm，而鋰離子半徑僅有0.076nm。不難想象，當(dāng)一個(gè)胖胖的鈉離子在電極中不斷運(yùn)動(dòng)時(shí)，很容易引起電極材料微觀結(jié)構(gòu)的破壞和崩塌，也就是“撐壞了”，從而造成電池容量的迅速衰減。
第二，鈉元素的相對原子質(zhì)量是鋰的3倍多，這意味著儲(chǔ)存同樣的一份能量，鈉離子電池需要更大的質(zhì)量，進(jìn)而造成了它的能量密度較低。歸根結(jié)底，鈉離子電池的這些缺點(diǎn)只因?yàn)殁c是個(gè)“胖子”。
多離子電池
在離子狀態(tài)時(shí)，鋰元素的價(jià)態(tài)是+1，意味著它的每次移動(dòng)可以攜帶一個(gè)電荷，對應(yīng)于一個(gè)電子的轉(zhuǎn)移。所以，當(dāng)鋰的數(shù)量為n時(shí)，這個(gè)電池所能儲(chǔ)存電荷數(shù)量的上限就是1*n。
如果，一個(gè)離子能夠同時(shí)攜帶多個(gè)電荷進(jìn)行移動(dòng)呢？比如鎂(Mg)離子價(jià)態(tài)是+2，可以同時(shí)攜帶兩個(gè)電荷。理論上講，使用同等數(shù)量的鎂離子和鋰離子，鎂離子電池所能存儲(chǔ)的電荷數(shù)會(huì)是鋰電池的兩倍。鋁(Al)離子更厲害，可以同時(shí)攜帶三個(gè)電荷。
基于這個(gè)道理，科學(xué)家們就開發(fā)出了使用高價(jià)態(tài)金屬離子的電池， 即多離子電池。因?yàn)橄嗤瑪?shù)量的離子能夠存儲(chǔ)更高密度的電荷，所以多離子電池容易達(dá)到較高的能量密度。
此外，鋰離子電池使用的電解液是一種有機(jī)溶液，易燃且有毒。但多離子電池所使用的電解液不同，安全性更好。比如，2016年《自然》（Nature）報(bào)道的鋁離子電池中，所使用電解液化學(xué)穩(wěn)定性很高，即使用電鉆在上面鉆個(gè)眼兒，仍然照常工作[6]。
當(dāng)然，多離子電池也同樣會(huì)遇到很多麻煩。比如，鎂和鋁這些高價(jià)態(tài)離子，雖然離子半徑?jīng)]那么大，但是帶的電荷多，所以在電解液中遷移速度慢。這就好比，提著兩大箱行李，試圖在春運(yùn)的火車上穿過一節(jié)車廂。遷移慢所造成的后果是電池的倍率性能不好。倍率性能可以粗略的理解成電池的充放電速度。所以，多離子電池是很難實(shí)現(xiàn)“充電五分鐘，通話兩小時(shí)”這種性能的。
鋰空氣電池
讓材料與氧氣發(fā)生反應(yīng)是人類獲取能源一種最普遍的方式，比如燒木頭或燒煤炭。因此，科學(xué)家試圖通過鋰與空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)，將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)為電能。這種設(shè)計(jì)就被稱為鋰空氣電池。
鋰空氣電池的設(shè)計(jì)原理與鋰離子電池有很大的不同。它的負(fù)極材料是金屬鋰，正極是空氣，準(zhǔn)確來說是空氣中的氧氣。放電時(shí)，金屬鋰向電解液提供鋰離子，這些離子與氧氣反應(yīng)，生成過氧化鋰，同時(shí)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電能。
鋰空氣電池的理論能量密度很高，達(dá)到每千克12000瓦時(shí)，這一數(shù)值甚至和汽油（每千克13000瓦時(shí)）有一戰(zhàn)之力[7]。而且，它使用的氧氣來自于空氣，這部分原料近乎無限。理論上來講，鋰空氣電池的儲(chǔ)能能力可以達(dá)到鋰離子電池的12倍[7]。
