科技創(chuàng)新世界潮

如今，鋰電池已成為日常生活中不可或缺的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦、可穿戴設(shè)備、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域，幾乎是“有鋰走遍天下”。但鋰電池也存在明顯的缺點(diǎn)：成本高、且用于生產(chǎn)鋰電池的原材料儲(chǔ)量少等。

鑒于此，不少國(guó)家的政府和企業(yè)紛紛加快步伐，布局“后鋰電池”時(shí)代，比如歐洲有些機(jī)構(gòu)致力于研制鎂電池和鋅電池、寧德時(shí)代推出了鈉電池等。正如《日本經(jīng)濟(jì)新聞》雜志網(wǎng)站在近日?qǐng)?bào)道中指出的，圍繞鋰電池替代品的全球競(jìng)賽已經(jīng)開(kāi)始!

鋰電池成本高

鋰電池誕生于上世紀(jì)60年代，上世紀(jì)90年代開(kāi)始由日本索尼公司實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，與其“前輩”鎳氫電池、鉛酸電池相比，能存儲(chǔ)更多電能，如今已經(jīng)飛入尋常百姓家，廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、個(gè)人電腦、智能手機(jī)等產(chǎn)品;它還可以儲(chǔ)存太陽(yáng)能和風(fēng)能，讓無(wú)化石燃料的世界成為可能。

鑒于鋰電池為人類(lèi)作出的巨大貢獻(xiàn)，2019年，三位“鋰電池之父”榮膺諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，鋰電池也成為今天蓄電池行業(yè)的“當(dāng)家花旦”。

但鋰電池的最大缺點(diǎn)就是成本高。只是用在智能手機(jī)上還好，如果需要大規(guī)模儲(chǔ)存電能的話，就需要相應(yīng)的大型電池。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的資料顯示，如果想讓鋰電池蓄電系統(tǒng)的蓄電成本達(dá)到與抽水蓄能電站持平的2.3萬(wàn)日元(約合1280元人民幣)/千瓦，簡(jiǎn)直就是癡人說(shuō)夢(mèng)。

此外，鋰電池原材料鋰、鎳、鈷的產(chǎn)地分布極度不均，且全球的鋰和鈷礦藏并不能完全用于生產(chǎn)。鋰在地殼中的儲(chǔ)量為0.0065%，全球儲(chǔ)量?jī)H有8600萬(wàn)噸;相比之下，鈉、鎂、鋅的儲(chǔ)量要高得多：鈉在地殼中的儲(chǔ)量為2.74%，僅中國(guó)柴達(dá)木盆地的鈉鹽儲(chǔ)量就達(dá)到3216億噸;而鎂在地殼中的含量更是高達(dá)13.9%。

候選元素前景看好

因此，科學(xué)家們將目光投向了鎂、鋅、鈉等元素。

例如，英國(guó)劍橋大學(xué)、丹麥和以色列的知名理工科院校、德國(guó)和西班牙的研究機(jī)構(gòu)共同發(fā)起了一個(gè)名為“歐盟鎂交互電池共同體”(E-Magic)的研究項(xiàng)目。這個(gè)為期4年的前瞻性項(xiàng)目得到了歐盟的資金支持，目標(biāo)是研發(fā)能量密度超過(guò)1000瓦時(shí)/升(相當(dāng)于鋰電池2倍)的、對(duì)環(huán)境友好的可充電鎂電池。

研究人員稱，這種電池以金屬鎂作為負(fù)極，由于一個(gè)鎂離子攜帶兩個(gè)電子，與只能攜帶一個(gè)電子的鋰離子相比，鎂電池的容量翻了一番，目前研制成功的鎂電池已經(jīng)可以反復(fù)充放電500次以上。

據(jù)悉，2020年，美國(guó)休斯頓大學(xué)姚彥教授課題組聯(lián)合北美豐田研究中心成功研發(fā)出一種非常有前景的高能量鎂電池，其潛在應(yīng)用范圍包括電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源系統(tǒng)的儲(chǔ)電池等。雖然眼下這款電池連續(xù)充放電只有200余次，但研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們已為更安全、性能更高的鎂電池找到了研究方向：正極使用有機(jī)化合物、負(fù)極使用芘四酮(PTO)實(shí)現(xiàn)快速且可逆的氧化還原過(guò)程，基于硼團(tuán)簇的弱配位電解質(zhì)則使離子運(yùn)動(dòng)更快。這種先進(jìn)的陰極和電解質(zhì)設(shè)計(jì)對(duì)鎂電池的發(fā)展具有重大的指導(dǎo)意義，并將加速鎂電池技術(shù)的商業(yè)化步伐。

此外，日本東京都立大學(xué)教授金村圣志野研發(fā)出正極使用氧化錳、負(fù)極使用金屬鎂的電池。《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道指出，雖然與鋰電池相比，目前鎂電池的性能還處于較低水平，但其潛力值得挖掘。未來(lái)，研究人員將著重解決電解液的改性問(wèn)題，并加強(qiáng)電極材料的研究。

和鎂同樣引人注目的還有鋅。日本東北大學(xué)小林弘明副教授和本間格教授研發(fā)的新型鋅離子電池使用水溶液作為電解液，取代了傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑，降低了電池起火的風(fēng)險(xiǎn)。來(lái)自美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)明斯特大學(xué)的研究人員也合作研發(fā)出一種“鋅金屬雙離子電池”，該電池由鋅陽(yáng)極、天然石墨陰極和雙離子鹽水溶液組成。

今年7月，中國(guó)寧德時(shí)代公司發(fā)布了一款鈉電池，具備迄今全球最高的能量密度和超快充特性(15分鐘可充電80%)，預(yù)計(jì)寧德時(shí)代將不斷提升鈉電池的能量密度，并有望于2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。

鋰電池挖潛大有可為

盡管各種替代性技術(shù)研究如火如荼，但從目前的發(fā)展情況來(lái)看，無(wú)論是鎂電池、鋅電池還是鈉電池，在技術(shù)和材料方面仍有很多難題需要解決。比如，鎂離子體積小、電荷密度大、極化作用強(qiáng)，難以插入到多數(shù)基質(zhì)中去，較難形成嵌入式化合物。因此，可供選擇的正極材料受限。

鑒于此，也有科學(xué)家致力于深入挖掘鋰電池的潛能，改善鋰電池的性能，研發(fā)質(zhì)量更好的鋰電池。

據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，日本湯淺公司與關(guān)西大學(xué)合作，開(kāi)發(fā)出一款以硫作為正極活性物質(zhì)的鋰硫電池，其質(zhì)量能量密度可達(dá)現(xiàn)有鋰電池的2倍左右——目前常用于純電動(dòng)汽車(chē)的鋰電池質(zhì)量能量密度約為200—300瓦時(shí)/千克，而此次開(kāi)發(fā)的鋰硫電池質(zhì)量能量密度則超過(guò)了370瓦時(shí)/千克。

研究人員解釋說(shuō)，理論上相同尺寸情況下，鋰硫電池的容量可達(dá)傳統(tǒng)鋰電池的8倍，但卻存在電導(dǎo)率低、中間產(chǎn)物易溶于電解液等問(wèn)題，而他們最新研制出的鋰硫電池采用了有微孔的碳粒，規(guī)避了上述兩個(gè)問(wèn)題。湯淺公司表示，希望到2023年能將其鋰硫電池的質(zhì)量能量密度提至500瓦時(shí)/千克。