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新材料不斷産生 鋰電池未來會更精彩
2019-10-23 09:29:27 來源: 北京日報
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  近日,2019年諾貝爾化學獎頒給了美國德州大學奧斯汀分校約翰·古迪納夫、美國紐約州立大學賓漢姆分校斯坦利·威廷漢和日本旭化成株式會社吉野彰三人,以表彰他們對鋰離子電池研發的卓越貢獻。那麼,鋰電池是如何研發出來的?未來的發展將會怎樣?

  1 沒有鋰電池就沒有移動智能生活

  我們早已生活在一個“可充電的世界”,但真正帶來電子設備便攜化,開啟了現代移動生活的則是鋰電池。可以説,如果沒有鋰電池,就沒有我們現在的移動智能生活。

  鋰電池因重量輕、可充電、功能強大且便攜,被廣泛應用于從手機到筆記本電腦等各個領域。它在全球范圍內用于為便攜式電子設備供電,我們使用這些便攜式電子設備通訊、工作、學習和娛樂。

  鋰電池還促進了長續航電動汽車的開發以及來自可再生能源(例如太陽能和風能)的能量存儲,為實現一個無線(可移動)、無化石燃料的社會打下基石。可以説,鋰離子電池作為能源存儲器件,徹底地改變了人類的生活。

  此次諾貝爾化學獎授予三位鋰電領域的科學家,是對每一位為鋰電池從無到有、從實驗室走向商業化做出貢獻的鋰電從業者的認可,是對仍在從事鋰電研究和志在繼續推動清潔、便攜社會發展的人們的激勵。

  2 石油危機直接促成了鋰電池研發

  20世紀70年代,石油危機直接促成了鋰電池研發。美國石油巨頭埃克森公司判斷,石油資源作為典型不可再生資源,將在不久之後面臨枯竭,于是組建團隊開發下一代替代石化燃料的能源技術。

  而鋰電池就是人們提出的新型電池之一。當時,供職于埃克森公司的斯坦利·威廷漢提出了一種全新的材料二硫化鈦作為正極材料,可以在分子層間儲存鋰離子。當其與金屬鋰負極匹配時,電池電壓高達2V。

  然而,由于金屬鋰負極活性高,帶來極大安全風險,這種電池並未獲得推廣。但科學家們並未放棄探索,既然問題出在電極材料上,或許替換電極就能解決問題。

  當時在英國牛津大學的無機化學實驗室擔任主任的古迪納夫推斷,採用金屬氧化物替代硫化物作為正極,可以實現更高電壓,改善鋰離子電池的性能。

  1980年,古迪納夫用鈷酸鋰作為電池正極,可將電池的電壓提高到4V。鈷酸鋰的橫空出世是鋰離子電池領域的極大突破,它至今仍是便攜式電池的主力正極材料。

  3 上世紀90年代出現首個商用鋰電池

  但受制于金屬鋰負極的不穩定特性,當時鋰離子電池的安全性仍是嚴重的問題。1985年,日本科學家吉野彰採用石油焦替換金屬鋰作為負極,用鈷酸鋰作為正極,發明了首個可用于商業的鋰離子電池。1991年,日本索尼公司發布了首個商用鋰離子電池。

  經過三十多年的工業化發展,鋰離子電池的能量密度、成本和安全性取得了長足進步,並深入到我們生活的方方面面。

  在目前廣泛使用的商用鋰電池中,鋰離子在以特殊層狀材料作為電池正負極的“主人”家裏,隨意地來回“串門”,以完成電池充放電工作。

  需要指出的是,雖然鋰離子這個嵌入與脫嵌的“串門”過程,並不影響“主人”家裏的物質結構,但整個過程仍是化學反應而非物理反應。

  4 鋰電池還有很大發展空間

  今年的諾貝爾化學獎授予鋰電池領域,是對這個行業巨大的肯定和激勵。鋰電池從誕生發展到應用推廣,當下仍面臨著諸多艱巨的挑戰。

  從1991年索尼公司商業化生産第一批鋰離子電池至今,上述鋰離子來回“串門”的“搖椅式電池”成了最有前途和發展最快的市場。但受制于鋰離子電池原理的限制,現有體係的鋰離子電池能量密度已經從每年7%的增長速率下降到2%,並正在逐漸逼近其理論極限。與之相反,隨著社會進步,人們對便攜、清潔生活的需求更加強烈。

  採用更少質量儲存更多電量的電極材料,有望構築能量密度更高的鋰離子電池。金屬鋰的比容量高達 3860mAh/g,是構築高比能電池的終極材料。但直接把金屬鋰作為電池負極材料使用的話,始終逃不開一個“跗骨之蛆”——枝晶。面對這個造成鋰電池安全隱患的“大敵”,世界各國的科學家正在進行不懈努力。

  5 應對鋰電池安全的大敵“枝晶”

  我們都知道,電池分為正極、負極和電解質,通過氧化還原反應來産生電流,放電時離子從負極流向正極,充電時從正極流向負極。

  對鋰電池來説,放電時鋰會被氧化成離子進入電解質最終抵達正極;重新充電時,這些鋰離子會再沉積到鋰金屬負極的表面。

  但是這種沉積往往不均勻,隨著鋰電池的頻繁使用,鋰金屬表面會長出針狀或樹枝狀的鋰枝晶。枝晶生長得過長就會折斷,不再參與反應,給電池體係帶來不可逆的容量損失;最危險的是,長大的枝晶會刺破電池正負極之間的隔膜,造成短路,埋下電池過熱自燃或爆炸的安全隱患。

  鋰電領域裏,如何做到“魚與熊掌兼得”?如何通過提出新原理、新體係、新方法,實現能量密度更高、更安全、充電更快的儲能過程?這些都是鋰電領域未來面臨的挑戰。

  在這樣的形勢下,涌現出了鋰硫電池、鋰空電池、鈉離子電池等許多新體係電池。新材料的不斷産生,也給這些新體係的發展帶來了新機遇。

  延伸閱讀

  我國鋰電研究者正在開展大量原創工作

  中美日韓德英等國都制定了各自的電池發展戰略,以期推動電池原理的創新以及核心技術的開發,支撐當代社會的可持續發展。我國鋰電研究者們在國家和社會的支持下,圍繞高效能量存儲這個不變的“初心”,持續開展科學研究。

  目前鋰電池領域主流研究方向仍聚焦在尋找更安全高效的負極材料。由筆者帶領的清華大學研究團隊從2013年開始,在金屬鋰負極形核和無枝晶生長領域開展了原創性的科學研究。

  研究發現,在金屬鋰負極中添加具有親鋰性的摻氮碳骨架,讓電池中遊離的鋰離子在充電初始,就像小蝌蚪找媽媽一樣,優先奔向青蛙媽媽——摻氮位點,在電池中形成均勻分布的金屬鋰“小團體”;在充電過程中,“小蝌蚪和青蛙媽媽”的“小團體”繼續“抱團”。這種均勻沉積的行為可以避開以往形核少而産生的金屬鋰枝晶生長。

  基于上述成果的論文2017年被化學領域頂級期刊《德國應用化學》選為封面,今年還入選了由北京市科學技術協會主辦的“北京地區廣受關注學術論文”評選活動。研究團隊在上述能源化學機理的基礎上,進一步設計了碳鋰復合負極。這些復合金屬鋰負極不僅避開了“危險的枝晶”,還表現出了優異的電化學性能,有效提升了金屬鋰負極的利用效率和安全性,也為基于金屬鋰的二次電池提供了新的實用化探索思路和更廣闊的應用前景。

  除了鋰電池之外,採用鈉、鉀、鋁、鋅等離子並研發其能源化學新原理,也有望提出具有獨特性質的新型儲能器件。除電化學儲能之外,採用其他能源存儲和轉化方式以及新型能源載體,有望構築具有顛覆性的儲能技術,滿足未來社會對于儲能設備的新需求。

  下一代解決能源存儲與轉化技術的突破,已經在路上。

  (張強:作者係清華大學化學工程係教授、“北京地區廣受關注學術論文係列報告會”化學學科報告人)

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【糾錯】 責任編輯: 孫廣見
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