鋰金屬電池誕生，能量容納率將是普通鋰離子電池的3倍
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-11 16:34
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鋰離子電池的高能量容量，使得從微型移動(dòng)設(shè)備到大型卡車的各種產(chǎn)品都有了續(xù)航力。但目前的鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)接近極限，目前正在尋找更好的鋰電池。萊斯大學(xué)的科學(xué)家們的一項(xiàng)新技術(shù)能夠發(fā)揮其潛力，那么它就能解決這個(gè)問題，并使鋰金屬電池能容納三倍于鋰離子電池的能量。
納米管的低密度和高表面積允許鋰金屬在電池充電時(shí)均勻地覆蓋碳混合材料。由于有足夠的空間使粒子在電荷和放電周期中進(jìn)出，它們最終被均勻分布。
根據(jù)這項(xiàng)研究，陽極材料的鋰存儲能力可以達(dá)到351毫安每克，這接近純鋰的理論最大值為每克3860毫安小時(shí)，是鋰離子電池的10倍。由于納米管的密度較低，這意味著它能夠?qū)⑺械姆椒ǘ纪康交w上，并且最大限度地利用可用的體積。這種新型的材料使用了全新的思路，大大提升了鈉離子電池的性能——其循環(huán)電池容量達(dá)到了 484mAh/g，陰極能量密度更是高達(dá) 726Wh/kg。
本次論文的第一作者、斯坦福大學(xué)博士后 Min ah Lee也對 DT 君表示：“ 我們的新型陰極由氧和鈉組成，具有與常規(guī)鋰陰極相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?，可以作為鈉離子電池取代鋰離子電池的可靠陰極。”
更加令人矚目的是，由于地球上鈉的儲量極為豐富，鈉離子電池陰極材料開采、生產(chǎn)成本僅為鋰離子電池的 1/100，從而將鈉離子電池的整體成本控制到鋰離子電池的 80% 左右。這一突破性的技術(shù)進(jìn)展，讓人類在大規(guī)模能源儲存的道路上再一次邁出堅(jiān)實(shí)的一步。
圖 | 隨著全球?qū)?a href="http://www.pdszhhs.com">鋰電池的需求不斷增加，鋰礦的開采供不應(yīng)求，價(jià)格也水漲船高。隨著儲量的消耗，其價(jià)格可能進(jìn)一步攀升
事實(shí)上，作為目前移動(dòng)端最靠譜的電池，鋰離子電池以較高的能量密度和較徹底的充放電深度，統(tǒng)治了手機(jī)、電腦、電動(dòng)汽車等絕大多數(shù)需要充電電池的應(yīng)用場景。而且，隨著鋰電池產(chǎn)能的提高，在規(guī)模經(jīng)濟(jì)的作用下，其價(jià)格已經(jīng)連續(xù)多年保持下降的勢頭，進(jìn)一步鞏固了其相對于其它電池技術(shù)的競爭優(yōu)勢。
有科學(xué)家甚至認(rèn)為，在地球上的鋰礦全被開采完之前，將不會(huì)有其它電池取代鋰電池的江湖地位。
然而，“儲量耗盡”這個(gè)看似天方夜譚一般的情景，卻正成為很多業(yè)內(nèi)人士真真切切的擔(dān)憂。在全球范圍內(nèi)鋰電池的產(chǎn)量不斷沖向新高、鋰電池整體價(jià)格大幅下降的背景下，部分用于生產(chǎn)鋰電池電極的原材料價(jià)格卻反而大幅飆升。這是因?yàn)榈厍蛏峡捎糜谏a(chǎn)鋰電池所需陰極材料的礦產(chǎn)資源（鋰礦、鈷礦等）實(shí)際上一點(diǎn)都不豐富。
為了滿足現(xiàn)有的鋰電池產(chǎn)量需求，世界范圍內(nèi)各個(gè)礦場的產(chǎn)能都已經(jīng)被逼到了極限，再增加產(chǎn)能十分困難。更不用說，加速開采還會(huì)讓這些有限的礦產(chǎn)資源提前耗盡，從而進(jìn)一步推高價(jià)格。因此，鋰離子電池面臨著一個(gè)絕大多數(shù)的商品永遠(yuǎn)都不會(huì)面臨到的挑戰(zhàn)：隨著產(chǎn)量的提升，價(jià)格不僅無法持續(xù)下降，反而可能急劇升高。
為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們將目光投向了在元素周期表上緊挨著鋰元素、特性也與其十分相近的另一種元素——鈉。與鋰資源相比，地球上的鈉資源儲量簡直豐富到“不可能被耗盡”：從浩瀚的大海里，到每家每戶的餐桌上，到處都有氯化鈉——食鹽的身影。與鋰離子電池材料每噸高達(dá)15,000 美元的價(jià)格相比，如果用鈉離子作為電極材料，其每噸成本將只有150 美元，便宜足有 100 倍之多。
圖 | 與鋰相比，地球上的鈉資源實(shí)在是太豐富了。大海、鹽湖、鹽礦，鈉元素占據(jù)了地殼中超過 2.7% 的質(zhì)量。因此，以鈉為材料的電池將遠(yuǎn)比鋰電池便宜。
然而，雖然應(yīng)用前景廣大，鈉離子電池的研究卻一直沒有取得決定性的突破。
事實(shí)上，鈉離子電池的研究曾與鋰離子電池同時(shí)起步。不同于其他需要氧化還原反應(yīng)的電池，這兩種電池屬于“搖椅電池”——需要離子自己在陰陽極之間來回穿梭，以達(dá)到充放電的目的。換句話說，陰極和陽極起到的作用就是收集、儲存和釋放用以產(chǎn)生電流的離子。
圖 | 許多元素都被用于制造電池。綜合多種性能來看，鋰是目前最佳的選項(xiàng)。但鋰電池電極材料礦產(chǎn)資源儲量的匱乏，為其未來的發(fā)展埋下了隱憂
上世紀(jì)八十年代，鋰離子的陰極材料研究首先取得突破，以鈷酸鋰等材料為代表的陰極材料，和通常由石墨構(gòu)成的陽極材料組合，讓鋰離子電池獲得了極佳的性能，從而取代之前的鎳氫充電電池，走進(jìn)了千家萬戶。而鈉離子電池的電極材料研究卻遠(yuǎn)沒有這么順利。
實(shí)際上，如果離子電池要高效運(yùn)行，必需要同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件。但在之前的研究中，鈉離子電池的陰極材料要么能量密度高但循環(huán)壽命短，要么就是循環(huán)壽命長但能量密度低。
· 能量密度夠高，單位質(zhì)量的電池可以提供足夠多的電量；
· 循環(huán)壽命長，電量不會(huì)隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加明顯下降。
這一次，斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)跳出了之前使用過渡元素氧化物或聚陰離子作為陰極材料的思維框架，使用了一種全新的有機(jī)材料“肌醇”與鈉離子進(jìn)行結(jié)合。
你可能沒聽說過這個(gè)拗口的名字，但這種與葡萄糖結(jié)構(gòu)非常相似的有機(jī)物廣泛存在于動(dòng)植物中，是動(dòng)物、微生物的生長因子，也是食物中的一種常見營養(yǎng)成分。作為一種工業(yè)界十分熟悉的有機(jī)物，肌醇工藝成熟、應(yīng)用廣泛，而這對于控制鈉離子電池的成本來說至關(guān)重要。
鈉與肌醇可以結(jié)合為 Na2C6O6，這種化合物是一種非常理想的陰極材料，理論上可以一次攜帶 4 個(gè)鈉離子，因此電池可以有著極高的容量——501mAH/g。
事實(shí)上，在鮑哲南團(tuán)隊(duì)之前，也曾有人嘗試過使用 Na2C6O6 作為電極材料生產(chǎn)鈉離子電池。然而，理論上最高 4 個(gè)鈉離子的運(yùn)送量在實(shí)際中其實(shí)很難達(dá)到，使得 Na2C6O6 電池的能量密度遠(yuǎn)低于預(yù)期。
此外，只要經(jīng)過一次充放電循環(huán)，第二次循環(huán)的能量密度會(huì)進(jìn)一步急劇下降，根本無法滿足實(shí)際使用的需求。在實(shí)際使用場景中，電池應(yīng)該在經(jīng)過數(shù)百甚至上千次充放電循環(huán)后，依然保持較為充足的電量。
