后锂电池时代的突破点

2012-10-01 14:08:30来源: CTIMES
   
1910年,爱迪生曾说过,在未来15年内,电动车将会用掉比电灯更多的电力。而爱迪生也在那时一直致力于电动车电池的研究,希望能够达到更高的发电效能。如今,爱迪生的预言早已被证实并不准确,且在经过一百年的发展后,电池仍然是电动车始终跨不过去的瓶颈。

附图 : 锂空气电池结构示意图 BigPic:600x365

根据ConsumerReport.org在2012年针对汽车品牌调查,有77%的受访者对于电动车有里程限制(Limited Range)的焦虑,42%的人则关心在充电过程中的安全性问题,这些问题都和电动车的“心脏” - 电池有关系。尽管经过长时间发展,电池技术已比原先的效能高上几倍,但仍然没办法满足电动车对更高能量密度的需求。

两大电池技术遇瓶颈

在纯电动车中,主要使用两种电池,分别是氢气燃料电池和锂离子电池。

燃料电池目前在市场中处于高不成低不就的尴尬状态,台湾大学材料所副教授赵基扬指出,关键在于白金触媒成本太高、质子传导膜的操作温度被限制在低温(< 80C)导致电池表现不佳、燃料储存空间太大及氢气的安全性疑虑等三大问题,使得燃料电池的发展受限。

在燃料电池遍寻不到突破点后,大家又回头看锂离子电池。相较于其他种类电池,锂离子电池拥有较高的体积能量密度,在笔电、智慧手机、平板电脑等行动装置快速普及之下,锂离子电池已成为生活中不可或缺的电力来源,甚至也是当前电动车电池的首选技术。

然而,随着锂离子电池广泛被使用后,续航力和驱动力成为电动车使用锂离子电池的最大问题。电动车和3C产品耗电量差距过大,锂离子电池必须有更高的容量和效能才能符合电动车的需求。赵基扬表示,锂离子电池有先天的材料限制,其能量密度的成长空间已很有限了,即使做到理论上的最大能量密度,仍难以满足电动车在续航力上的需求。

锂空气电池成明日之星

锂离子电池想提升容量,就会有产生过重的问题。于是有研究人员开始将锂离子电池中不发电的石墨电极等传统零件的比例降到最低,改用一整面的锂金属当作阳极,并在阴极使用重量极轻的多孔碳材取代重金属触媒,将电池重量减到最轻,同时也减小体积,来提升能量密度。这正是目前备受关注的技术 - 锂空气电池。

根据IBM“Battery 500”计划指出,目前的锂离子电池充满电可让电动车行驶约100英哩,虽对于一个普通家庭来说已经足够,但是如要远程旅行,仍必须大幅提升续航力。

因此,IBM在2009年开始投入锂空气电池的研究,预计能将目前锂离子电池的能量密度(~ 100 – 200 Wh/Kg)提升10倍,让电动车充电一次至少可行驶500英哩(约800公里)。以能量密度来计算,锂空气电池是最能够取代汽油的电池种类,也因此,锂空气电池已成为电动车电池的明日之星。

锂空气电池的发电原理是在阳极将锂金属氧化产生电子与锂离子,电子供给外部电路电力,而锂离子则经由电池内部的电解质传导至阴极,与空气中的氧分子及外电路流入的电子进行还原反应,形成完整的电化学反应,从而产生电能。由于空气随处可得,让锂空气电池可做的更轻、更小,不必再担心燃料储存空间的问题。

美日作法大不同

而根据国情不同,各国对锂空气电池的充换也有不同的研究。以美国为例,由于美国土地较大,换电站或充电站距离远,不易随时充换电,因此IBM研究主题专注于如何做出二次电池。

当电池为二次电池时,重复充放电的效能及相关电池寿命与安全问题变成重要的考量。目前使用多孔膜材(mesoporous membrane)吸附电解液做为分隔正负极的隔离膜(separator)的锂二次电池在安全上最大的问题是充放电时,” dendrite”会成长并穿越多孔隔离膜间的空隙,当正负极因dendrite成长而接触了,将会使电池短路、迅速放热,这正是时常听到锂二次电池爆炸的原因。而在需要大电流充放电的操作环境下的电动车电池,这样的问题会更显严重。

为了解决这样的问题,IBM不用多孔隔离膜的形式,而是改采纯有机液态电解质的形式以提高离子传导度,另一方面则是在锂金属表面加上一层具有良好锂离子传导特性的氧化物来稳定电极与电解液之间的接触介面,以抑制dendrite的成长。然而,液态电池却又有漏液的安全问题,很难两全齐美。

此外,这样的方式所面临的问题是,锂空气电池在放电的过程中,固体反应生成物 - 氧化锂(Li2O)及过氧化锂(Li2O2)并不溶解于有机电解液中,而会在正极堆积,导致空气流量下降,这时电解液与空气的接触逐渐被阻断,发电效能愈来愈低。因此,如何在放电后期维持一样的发电效能是电极设计所需克服的难题。

和美国走不同路线的日本则是选择换电池的方式。就像一般燃料电池燃料用完,更换氢气或甲醇,日本的设计是锂空气电池没电了,就将整颗电池换掉,不需要花费两三个小时等待充电时间;而没电的电池则由专门的工厂回收再生。

赵基扬表示,这样的方式和汽油车开车习惯较为相近,且日本使用的系统为有机液态电解质与水溶液电解质的混合系统,在阳极与锂金属相接触的电解质为有机溶液相,而在阴极则使用电解质水溶液,此两种电解质中间以一层可传导锂离子的陶瓷薄膜(LISICON)做阻隔。在阴极由于锂氧化物会被溶解在水溶液里,因此也较不会有电极孔洞被塞住,降低效能的问题。但锂氧化物溶于水溶液后会产生硷性物质氢氧化锂(LiOH),而LISICON薄膜在硷性环境下不稳定,对长期操作的稳定性是一大挑战。

水分子易穿透 隔离膜挡不住

尽管美、日做法不同,但是同样存在一个最大的瓶颈 - 水。空气中除了氧气之外,还包含许多杂质,其中最难排除的,就是水分子。锂金属稳定度较差,容易和水产生反应氧化,导致锂金属表面产生高电阻的锂氧化物,而大幅降低电池的放电效率。

赵基扬指出,为了阻隔空气中的水分进入电池中,一般的做法是在阴极的外层加上一层疏水的多孔膜材以使氧通过而不使水分子通过。然而此种方法的效果有限,原因在于阻气膜是利用孔隙对不同大小分子的选择性来做阻绝,但水分子体积却比氧分子小,阻气膜难以将水分子完全隔绝在外。

目前最好的办法是将液态电解质改为固态电解质,其致密的膜材结构一方面可以降低水分子穿透性,也能够抑制dendrite成长,也不会有漏液问题产生,这些较为稳定的特性能够大幅提升安全性。

赵基扬正带领其研究团队在进行固态高分子电解质的研究,但固态电解质的离子传导度相较于液态差很多,因此其研究的挑战在于如何提升其锂离子的传导特性。他指出,虽没办法让固态电解质传导性超越液态,但是至少要接近。

当然,有更多相关计划在全球各地如火如荼地在进行着,只是各自面临不同的挑战,要克服这些挑战,一般预估锂空气电池至少还需要花上十年才能够商品化。

附图 : 台湾大学材料所副教授赵基扬

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编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2012/1001/article_15806.html
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