2017年锂电池的突破性技术汇总

2018-02-07 17:25:32编辑:王磊 关键字:电池  锂电池

大到自动驾驶汽车和电动平衡车,小到笔记本和智能手机,电池在各种智能设备中无处不在,它们已然成为了现代世界不可或缺的一部分,因此对于这个电池市场,自然是有少不了的开发者,他们总是在设想着如何创造出更安全,持久,节能且充电速度快的电池,而在2017年世界上到底出现了哪些突破性的电池技术呢?我们在今年年终前给大家做了一份汇总。


毕竟安全第一,我们就先从安全因素说起,最近这段时间因为三星Galaxy Note7爆炸的新闻,锂电池的安全问题受到了用户们的广泛关注,不过相对于其他,在世界各地都运用广泛的锂电池其实在安全方面的事故率总的说还是比较低的,但总会有各种意外情况的发生, 这也证明了它们并不能带来100%绝对的安全保障。也随着这些事故的发生,现代的电池已经开始在芯片上安装电压追踪,温度追踪等功能,这意味着如果你在使用iPhone进行充电的时候,如果温度过高,那么手机上的警告系统就会自动启动,以防止进一步的隐患。不过研发人员们仍然在寻找一种能够让电池永远保持冷却的方法,要实现这一目标,其中一种方法就是不再使用目前的可燃性电解质,也就是电池中那些携带电离子的液体,用一些不太易燃的物质取而代之。


早在2015年,马里兰大学和美国陆军研究实验室的科学家们就提出了一种盐水电解质配方方案,小到起搏器大到大规模电网,都能对电池的安全问题提供很好的保障,不过虽然这项技术的设计方式能够一定程度的减少电池起火隐患,不过它目前只能适用于最大规模3伏特的电压,因此还无法大规模应用。这项技术也一直研发缓慢,后来研发人员们又开发了一种新的凝胶聚合物涂层来实现这一目标,这种涂层可以应用于电池的阳极,更好地阻止水从表面的产生,研发小组现在也专注于增加电池的完整性能周期,从100到500或更多使用周期,以使其具有竞争力,而直到在今年秋天,研发人员们才总算将电压最大值提升到了4伏特,因此可以用于比如笔记本电脑等的常规应用。


另外一种避免火灾危险的方式就是将阻燃剂集成到电池中,当电池发热时,阻燃剂会自动释放,就像内置了一个灭火器,这个方法这是许多研发人员一直在考虑的额问题,它们希望使用某种阻燃材料来制造隔膜分离器,不过这种方法在实验起来经常会损害电池的完整性能,因此目前也并不可靠。在今年一月份,斯坦福大学的科学家又将电池技术推向了新的一步,他们的设计包采用了磷酸三苯酯TPP为原料的阻燃剂,将其放置于超细纤维壳的聚合物之中,当电池中的水银遇到160摄氏度的高温时,它们会开始融化,在升温开始的早期阶段就释放电解液进而降低电池的燃烧可能性。研发人员也用硬币电池对该设计方式进行了测试,他们发现,TPP的确能够在燃烧发生时有效迅速的熄灭火焰,现在研发人员也开始将测试转移到了更大的机械压力上,以检验其抗压能力。


而除了在安全方面,2017年也出现了许多关于提供电池充电速度的新技术诞生,如果能够让你的车充电6分钟就可以续航320公里,你会更愿意购买一辆电动车吗?相信很多人都会因此改变主意,然而充电速度提升带来的改变远不仅仅是在电动汽车领域内,在各种智能设备中都可以得到体现。今年十月,日本东芝公司宣布将推出其下一代的超级快充锂电池SCiB0,这种新型的阳极材料被称为钛铌氧化物,它能更有效地储存锂离子,因此能量密度增加了一倍。东芝计划在2019将电池投入实际应用,并表示如果将其置入电动汽车,它将在六分钟充电时间里,它能够提供大约三倍于当前电池的电流。然而东芝也并不是首家在快速充电技术领域中掀起波澜的电子巨头,今年11月,三星三星高级技术研究院的研究人员报道推出了他们所说的石墨球技术。通过一种类似于爆米花的神奇材料作为阳极,在锂离子电池中,为阴极提供保护层,通过这项技术,该研发小组称已经能够控制电池内发生有害的副反应,创造更多的电流传输通道。研发人员还表示,如果将这些石墨球加工成为一个全尺寸的锂电池,他们就可以将智能手机的充电时间从一小时减少到12分钟,更重要的是,它们还可以提高45%的电池容量,并保持稳定的工作温度,这涉及到电动汽车领域的时候无疑是个非常实用的属性。


目前智能手机成为了现代社会中必备的设备,然而在电池容量方面却往往不令人满意,许多用户都几乎是一天一充电,有的甚至还是一天两充,如果能够大量的提升电池的容量,这相信必将会让众多手机用户们心中为之振奋,也正是如此,如何最大化的扩展电池的容量,这也是众多科学家们研发的重点。


莱斯大学的研究人员因此将更多的精力瞄准了一种称为树突的充电过程中的副产品中,这些微小的锂纤维在电池的阳极形成,像皮疹一样的扩散,最终很有可能会阻碍电池性能,甚至造成短路。研究小组们因此建造了一个电池原型,它使用一种石墨薄片将其生长在金属与碳纳米管结合的阳极上,这种三维碳纳米管由于其密度低、表面积大,在充放电循环过程中会产生大量的空间,使颗粒在进出过程中打滑,完全阻止了树突的生长,因此大大提升了电池的容量。


除此之外,石墨烯技术也是2017年来最有前途的能源技术之一,其导电性能极佳,引发了许多科学家的研究热潮,而其中一些研究人员则想到了一种方法,就像石墨片上的碳原子在海洋中随着环境温度的变化起伏波动,他们利用所谓的石墨烯涟漪产生微小的能量,通过将石墨烯片悬浮在两个堆叠的电极之间,当原子团上升并接触上电极时,该组能够产生正电荷,然后当它们落下并接触下电极时产生交流电,然后使用一种叫做振动能量采集器的装置,该研发小组还能够利用足够强的交流电实现给手表供电。从理论上说,这项技术从不需要充电,也不会损耗,因此这也大大提高了石墨烯作为无限能量解决方案的前景,不过把它植入手表和其他小型电子设备,如心脏起搏器和助听器,目前仍然是一个挑战,但研究人员正在继续他们的实验,争取能够早日进入实际应用阶段。然而在大型电容量电池的实际应用上,南澳大利亚启用了世界最大的锂离子电池,这块电池由特斯拉公司耗时100天安装完成,其旨在解决一些国家最近的能源危机,能够为超过3000家住户提供电力。


最后,在环境保护方面,电池行业也取得了非常杰出的进展,日本东北大学和大阪大学的研究人员利用电子制造业的副产品——从大块的硅片中切割出来的硅木屑,通过粉碎这其为多孔纳米片和用碳将其涂覆,该团队发现了一种新的电池阳极种类。由此产生的锂离子电池不仅作为再生材料,并可以达到一个恒定的电池容量,约为1200毫安时/克(每克毫安小时)使用周期超过800次,该研发小组还声称相比传统的石墨阳极,这几乎是它们的3.3倍。另外一方面,硅作为电池负极的能源比一个典型的石墨阳极电位存储高达10倍以上,通过这种方式,有研发团队能够生产一个显示容量约1420 mAh/g(每克毫安小时)的纽扣电池,相比典型的350 mAh/g容量的石墨阳极电池,其有明显的改善,该研发小组也因此已经申请了环保、低成本技术的专利,除了石墨烯和硅,有悉尼大学的科学家也发现了一种锌材料的空气电池,它能够通过在电池周围使用空气来驱动化学反应,也可以在锌中加入更多的锌来增加其能量密度,不过,这种锌电池也有一定的弊端,因为它需要昂贵的贵金属作为催化剂,对于节省成本来说并不现实。因此悉尼大学的研究小组又想到希望利用常见元素,利用铁,钴和镍,不过实验证明,还是锌空气电池更容易充电,在超过60次充电放电和120的充电周期测试中,它仅失去了不到10%的功效。


说到最后,更好的电池性能将会让智能手机保持更持久的使用时间,让电动汽车得到更长的续航时间,让相机拍摄更多照片和录像,让无线耳机能够释放更长时间的音乐,让电动自行车带你去更远的地方,因此其未来的发展前景是非常巨大的。


2017年是电池发展史上至关重要的一年,随着各种新能源,新材料的涌现,我们发现了提高电池性能的更多样的可能性,但相信事情并不会因此而怠惰下来,相反,或许2018年还将在电池这领域有更大的技术突破,或许三星手机将会首次搭载上使用石墨球的电池,或许未来你乘坐的电动汽车将会不再需要插电管,总之,一切皆有可能,让我们拭目以待。

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