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锂电池虽已改变科技生活,但能量密度仍不足担负未来应用

2020-01-11
编者按:锂电池虽已改动科技日子,然现阶段电池的技能瓶颈主要在能量密度、循环寿数和温度特性三方面, 能量密度仍缺乏背负未来运用。
本年诺贝尔化学奖颁给锂电池创造者,正如诺贝尔委员会的颁奖词:「锂离子电池已彻底改动了咱们的日子,从手机到笔电和电动车,锂离子电池无处不在。」
尽管锂电池为人类脱节化石燃料有巨大贡献,让汽车产业迈向电动化,但跟着对锂电池需求添加,技能瓶颈也逐步露出,就连锂电池创造者之一的 John Goodenough 对锂电池的未来也不达观。
我的作业还没完结。钴氧化物阴极创造 35 年后,电动动力车在价格依然不能与传统内燃汽机车竞赛。而太阳能和风能发电的贮存本钱太高,只能当即运用。咱们的远景不太达观。
一位从事电池研制多年的技能人员 Tiger 曾说,现阶段电池的技能瓶颈主要在能量密度、循环寿数和温度特性三方面。
锂电池的能量密度是限制交通职业进一步电动化的最大瓶颈之一。锂电池比较内燃机的长处在于能量功率更高,可达 60%~80%,而内燃机的能量功率只要 20%~60%,但还缺乏以补偿锂电池能量密度低的缺陷。
现在工业出产的锂电池能量密度遍及在 150~300Wh/Kg,只要特斯拉等少量厂商能打破 300Wh/Kg,但是汽油的能量密度却能能达 2,000Wh/kg,几乎是锂电池的 10 倍,也便是说要到达燃油车 60 升的油箱相同能量,需求 400 多公斤锂电池。
这也是全电动飞机一向迟迟无法呈现的重要原因,由于电池要占用飞机更多空间,像波音 737 这种大型飞机,所需电池分量乃至比机身更重,这明显不实际。
假如要进步锂电池的能量密度,价值之一便是削减循环寿数,一般手机的锂电池的寿数约 3 年,可充电/放电超越 500 次,但这样会拉低电动车的性价比,需求改动电极资料来延伸寿数。以特斯拉为例,电池的循环寿数并不长,但由于单次充电的续航更长,拉长了电池的运用周期。
现在一些电动车开端运用寿数更长的磷酸铁锂电池,据悉比亚迪泄漏下一年将推出选用磷酸铁锂电池的电动车,寿数可达 8 年 120 万公里,但这种电池的缺陷是能量密度较低、低温环境功能欠安,以及本钱较高。
此外,跟着锂离子电池的广泛运用,碳酸锂的产值很快或许就无法满意日益胀大的商场需求。依据商场调组织 Adroit Market Research 猜测,到 2025 年锂的耗费量将翻两倍,全球锂电池商场规模估量将超越 1,000 亿美元。
有组织透过测算,发现仅考虑电动车,2050 年就能耗费陆地三分之一锂,到 2080 年陆地的锂资源将彻底耗尽。尽管海洋的锂储藏高达 2,300 亿吨,但现在还没有大规模商用的提取技能。
锂资源缺少会形成锂电池本钱上升,终究变成别的一种「石油」。曾有一种观念以为汽车业从石油从转向锂电池,不过是从一种有限的资源换到另一种有限的资源。
但锂离子电池和石油不一样的是,锂可收回再利用,据称最高可有 95% 收回利用率。假如能做到锂金属高效收回,能有用缓解锂资源缺少的问题,但现在锂电池的收回率并不高,且收回再利用的本钱并不低,乃至比挖掘锂矿还贵。
而电动车比燃油车更环保的传统形象,其实也不太精确。的确,顾客驾驭电动车时碳排放的确比燃油车低,但不意味着电动车更环保,电动车仅仅将污染往前移到出产环节。
有研讨标明,假如考虑电动车电池的出产,制造一辆电动车发生的碳排放比一辆燃油车多 15%~70%,且这还没核算挖掘锂矿及锂电池收回不妥对环境形成的污染,比方智利一些区域,65% 水用于锂出产,很简单污染水资源。
明显,现在锂离子电池还有许多缺点,且曩昔 20 年可商用的电池技能也没有太大打破,但激增的商场需求迫使人类要尽快找到更好的电池计划,《天然》杂志曾在 2018 年猜测「咱们间隔锂电子电池革新仅剩余 10 年」。
事实上科学家一向没有中止研制新电池技能,IBM Research 旗下的电池实验室就正在开发从海水提取物质制造无钴电动车电池的技能,能在 5 分钟内充电至 80%,且本钱和能量密度等方面都优于现在的锂电池。现在梅赛德斯─奔跑、日本电池电解质供货商 Central Glass 等厂商已和 IBM 到达协作,推进这项电池技能商用,但终究什么时候会推出还不得而知。
锂离子电池的未来,也不一定会被新资料替代,也还或许获得更大的打破。现年 97 岁的「锂离子电池之父」 John Goodenough 至今仍投入全固态电池研制,期望让锂电池到达新高度,现在已获得一些研讨成果。
无论如何,锂电池革新或许离咱们不远了。
原标题:锂电池虽已改动科技日子,但能量密度仍缺乏背负未来运用  

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