中國粉體網(wǎng)訊 不久前，中國科學(xué)家開發(fā)出一種可在零下70攝氏度使用的鋰電池,，未來有望在地球極寒地區(qū),，甚至外太空使用，聽起來真是“吊炸天”,。
據(jù)研究人員稱,，這種新電池使用的材料成本不高，還環(huán)保,，但要想將其商業(yè)化尚有待時(shí)日,，主要問題是其能量密度太低，還比不上傳統(tǒng)的鋰電池,。那么,，電池技術(shù)何時(shí)才能有革命性的突破？
傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)接近瓶頸
“消費(fèi)電子,、汽車和電網(wǎng)存儲(chǔ)是目前電池主要應(yīng)用的三個(gè)行業(yè),。我把這三個(gè)行業(yè)稱為人們與電池連接的三大領(lǐng)域。每個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄姵囟加胁煌囊�,，因此所使用的電池也可能（有時(shí)）大不相同,。在你口袋里的手機(jī)需要結(jié)實(shí)、安全的電池,，重量和成本倒不用太考慮,。而對(duì)于汽車電池行業(yè)而言，需要的電池很多，因此成本和重量以及循環(huán)使用壽命（如果新特斯拉每?jī)赡晷枰鼡Q一次新電池,，你會(huì)抓狂的）就變得十分重要,。用于存儲(chǔ)房屋和電網(wǎng)的電力的電池對(duì)重量或尺寸要求則不高�,！泵绹茉创鎯�(chǔ)研究聯(lián)合中心研究與開發(fā)副主任溫克特·斯里尼瓦森說,。
幾乎電子行業(yè)的每一個(gè)部分都需要電池，從而也都受到電池的功率輸出和能量壽命的限制,�,！峨娫措s志》主編斯蒂法諾·帕瑟里尼指出，“電池的發(fā)展或進(jìn)步比其他領(lǐng)域慢得多,，這是電池本身的局限性,，你不能指望有能給手機(jī)供電一周或一個(gè)月的電池。因?yàn)�,，存�?chǔ)在電池中的最大能量是由固有的元素決定,。”
1991年,，索尼推出首個(gè)商用鋰電池,，鋰電池沿用至今被稱為主流的電子設(shè)備電池技術(shù)。由于鋰離子是最輕的堿金屬元素,，擁有著更小,、更輕、能量密度更高的特性,，所以迅速取代了鎳電池,。
在鋰電池的構(gòu)成物質(zhì)中，有磷酸鐵,、錳,、石墨、鈦酸鹽等其他金屬和非金屬材料,，但要靠著“鋰離子”這個(gè)元素在正,、負(fù)極中的嵌入與脫出，才可實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化,，最終完成充放電過程,。
然而，鋰電池的技術(shù)進(jìn)步發(fā)展緩慢,。目前鋰離子電池在能量密度,、高低溫特性、倍率性能上,，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉛酸,、鎳氫電池,，但還是難以滿足快速增長(zhǎng)的電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車等的需求,。
近些年來,，研究人員努力提高鋰電池的能量密度（電量體積容量比）、價(jià)值,、安全性,、環(huán)境影響以及試用壽命，并在設(shè)計(jì)全新類型的電池,。但帕瑟里尼表示,，現(xiàn)在傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)已接近瓶頸，進(jìn)一步優(yōu)化的空間有限,。
創(chuàng)新思路催生新型電池
目前,，科學(xué)家正致力于研發(fā)儲(chǔ)能更強(qiáng)、壽命更長(zhǎng)的新型電池,，特別是在不同的領(lǐng)域開發(fā)出更為適合的電池，因?yàn)闆]有一種電池可以適用所有領(lǐng)域,。
在汽車行業(yè)中,，電池最終決定了汽車的壽命，也決定了人們對(duì)于電動(dòng)汽車的恐懼和焦慮,。為了解決這個(gè)問題,，工程師和科學(xué)家正在嘗試將更多的電壓容量填充到電池中。目前,，大量的研究致力于尋找新的材料和化學(xué)品以輔助或替換鋰離子晶格或電池的其它部分,。
例如一些創(chuàng)新的做法，將傳統(tǒng)的石墨陽極晶格可以替換為硅,，會(huì)擁有10倍多的鋰離子,，但硅在吸收鋰離子時(shí)會(huì)膨脹，所以研究者們需要解決這個(gè)問題,；將鋰金屬代替晶格充當(dāng)陽極,，但是有可能它在充電時(shí)會(huì)發(fā)生短路。而這是自鋰電池問世二三十年以來,，令電池制造商一直頭疼的老大難問題,。
也許，鋰可以完全被替換,？例如,，鈉或鎂，再或其他的物質(zhì)材料,。國外的一家能量存儲(chǔ)研究聯(lián)合中心正在使用計(jì)算機(jī)建模,，研究將特定的氧化物材料作為鎂陽極相對(duì)應(yīng)的陰極。鎂是非常有優(yōu)點(diǎn)的，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)允許每個(gè)原子接受兩個(gè)電子,，這使得鎂可加倍儲(chǔ)存電荷,。
還一種思路，琢磨電池的“心臟”——電極/電解液界面,。
在所有的環(huán)境因素中,，溫度對(duì)電池的充放電性能影響最大。發(fā)表在最新一期美國能源學(xué)術(shù)期刊《焦耳》上的研究顯示,，中國復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系,、新能源研究院教授夏永姚帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出耐寒新電池，采用凝固點(diǎn)低,、可在極端低溫條件下導(dǎo)電的乙酸乙酯作為電解液,，并使用兩種有機(jī)化合物分別作為電極的陰極和陽極。
夏永姚說：“乙酸乙酯電解液和有機(jī)高分子電極讓可充電電池在零下70攝氏度的極低溫條件下工作,�,！毙码姵氐牟牧铣渥恪⒈阋饲噎h(huán)保,，他預(yù)計(jì)這種材料的價(jià)格只有傳統(tǒng)鋰電池電極材料的約三分之一,。
要知道，在俄羅斯和加拿大等極寒地區(qū),，溫度低于零下50攝氏度,；在太空中，溫度低至零下157攝氏度,。而傳統(tǒng)鋰電池在零下20攝氏度時(shí)性能只有其最優(yōu)水平的50%,，零下40攝氏度時(shí)只有最優(yōu)水平的12%。
夏永姚對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者強(qiáng)調(diào),，新電池目前還是在實(shí)驗(yàn)室階段,，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化面臨的主要挑戰(zhàn)是這種電池的單位質(zhì)量能量與已商業(yè)化的鋰電池尚有差距，生產(chǎn)過程還需優(yōu)化,，但具顯著應(yīng)用潛力,，因此，他的團(tuán)隊(duì)正在努力攻克難題,。
對(duì)這項(xiàng)研究有網(wǎng)民建議,，“特殊要求的專業(yè)電池，不要想著一定取代現(xiàn)有鋰電池,，完全可以打差異化市場(chǎng)策略,，在軍用、工業(yè)等特殊環(huán)境體現(xiàn)用途,�,！�
使用石墨烯材料的電池表現(xiàn)出色
既然鋰電池技術(shù)遇到瓶頸,，人們就想到一些另辟蹊徑的辦法，間接有效解決用戶對(duì)續(xù)航的需求,，而在研究中發(fā)現(xiàn),，使用石墨烯材料的電池表現(xiàn)出色。
華為曾在第57屆日本電池大會(huì)上,，發(fā)布了以“華為能源”之名亮相的使用石墨烯材料的鋰電池,，展示出電池快充技術(shù)，僅用5分鐘就將一塊3000毫安的電池充到了48%的電量,，無疑其效果比高通的Quick Charge技術(shù)和OPPO的VOOC閃充技術(shù)更為振奮人心,。而且，與傳統(tǒng)鋰離子電池相比,，該電池具有壽命長(zhǎng),、耐高溫等多種優(yōu)異特性。
據(jù)介紹,，采用石墨烯材料的電池主要優(yōu)勢(shì)在于其使用壽命和充電速度,。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，石墨烯電池2000次充放電衰減率15%以內(nèi),，同比普通鋰電池約40-80%,，充電速度5000毫安時(shí)的半小時(shí)可以充滿，如果電路設(shè)計(jì)合適,，理論上可以5秒以內(nèi)充滿。而華為在電解液中加入高溫抗分解添加劑,，配合高溫穩(wěn)定的大單晶正極,，大幅提升電池?zé)岱�(wěn)定性。與此同時(shí),，通過利用石墨烯高效散熱的特點(diǎn),，同等工況下電池溫度降低5℃。
目前,，隨著電子產(chǎn)品的便攜化發(fā)展,，電池也朝小型、輕薄同時(shí)兼具高比能量的方向發(fā)展,；而對(duì)于在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用,，高的體積比能量也意味著一定容積的電池可以裝填更多的活性物質(zhì)。因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,，比之質(zhì)量比能量,，體積比能量很多時(shí)候更加重要。
1月26日,，《自然·通訊》在線發(fā)表了天津大學(xué)化工學(xué)院楊全紅教授團(tuán)隊(duì)的研究工作,，在石墨烯的致密組裝中,，巧妙應(yīng)用類似變形金剛的“硫模板”，實(shí)現(xiàn)了包裹活性物質(zhì)的碳籠尺寸和形狀的精確設(shè)計(jì),，從而大幅提高鋰離子電池體積能量密度,，使其變得“更小”成為可能。
“需要指出的是有稱‘石墨烯電池’的說法,，不科學(xué),、不嚴(yán)謹(jǐn)。比較客觀的說法,，應(yīng)該是‘使用了石墨烯材料的電池’,，石墨烯是一種‘至柔至薄’的碳材料，通過石墨烯的添加或者輔助,，可能會(huì)達(dá)到傳統(tǒng)碳材料或者傳統(tǒng)技術(shù)難于達(dá)到的某些功能,，而有些時(shí)候電池性能很小幅度的提高對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言都是非常重要的�,！睏钊t對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說,。
