锂离子电池之后 还有哪些蓄电池具有商业化前景?

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未来,全球经济对锂离子电池的需求将急剧上升。电动汽车,建筑业和笔记本电脑,智能手机和电动工具都依赖电池。很快就会有另一个领域需要更大规模的可充电电池:可再生能源的存储。


越来越多的临时可用绿色电力已无法再存储在泵存储发电厂中,仅靠拥挤的电网很难做到这一点。由于地理位置的原因,在世界上的某些地区,抽水蓄能电站是不可行的。

锂离子电池之后 还有哪些蓄电池具有商业化前景?

经济实惠的固定式蓄电池将因此成为热门商品。它们应尽可能使用环保材料制成,以免进一步拉紧锂离子电池中存在的锂,钴或其他昂贵金属的世界资源。


Empa和苏黎世联邦理工学院的研究人员Kostiantyn Kravchyk和Maksym Kovalenko更加仔细地研究了锂离子电池的可能替代品。他们分析了世界各地研究小组的许多科学出版物,并系统地进行了自己的实验。


他们的评估已发表在《新化学杂志》上(“后锂离子电池的挑战和益处”)。


蓄电池必须便宜且环保,尺寸和重量不太重要。


从锂转向钠?


最简单的想法之一就是用钠代替锂。这种元素很常见:氯化钠存在于海水中,在世界范围内都可以使用。但是由于钠离子比锂离子大约50%,因此钠阴极材料显示出较差的电化学循环性能。


例如,作为钴酸锂的钠离子类似物的钠钴氧化物(即,锂离子电池的常规阴极材料)可以维持更少的充电周期。这基本上消除了成本优势。


在电池的另一侧,阳极材料也存在问题。石墨(如锂离子电池中的)不适合钠电池使用,因为它无法存储足够的钠离子。用便宜的锡,锑或磷进行的测试显示出良好的电荷存储性能,但是在充电时,阳极膨胀百分数至其原始体积的三倍左右。


这会损害机械稳定性:受到冲击时,膨胀的材料很容易崩解,并且会损坏电池。对于磷阳极,情况变得更糟:在充电时,阳极中会形成磷化钠(Na3P7),磷化钠与水一起生成磷化氢:一种剧毒的气体,会导致呼吸停止。难以置信的是,任何人都希望在自己家中拥有这种充满太阳能的电池。


镁呢?


在化学元素周期表中,镁紧挨着钠。它是一个很小的轻原子,可以一次转移两个电子。镁便宜且无毒。可以用来制造电池吗?在电池的阳极侧,镁具有优点:不需要石墨(如锂离子电池),而可以使用镁箔作为阳极。


然而,小的,双电荷的镁离子在阴极侧带来缺点。小直径上的高电荷会导致高电吸引力。例如,离子仅以很大的力滑入氧化钴晶格中,并且如果将其固定在此处,则很难再次将其提取出来。


任何试图用力(即用更高的电压)这样做的人都有引发电池化学成分氧化和还原过程,从而将其破坏的风险。除此之外,逆转化学过程所必需的高电压使这些电池效率很低。


结果,这种电池不能高速充电,并且如果要长时间使用,只能在较小的电压范围内使用。

锂离子电池之后 还有哪些蓄电池具有商业化前景?

铝石墨电池


如果我们在元素周期表中走得更远,铝将是下一个。这种金属也可以大量,无毒且廉价地获得。它可以一次转移三个电子。类似于镁电池,阳极易于制造:只需铝箔即可。


但是其余的铝电池在根本上不同于锂离子电池:锂离子电池采用“摇椅”原理。放电时,锂离子从阳极迁移到阴极;充电时,它们会回到阳极。相反,在铝石墨电池中,没有Al3 +离子从正电极到负电极的单向运动。


取而代之的是,在两个电极对电池进行充电时,都会从氯铝酸盐离子液体(电解质)中“消耗”铝物质。电解质因此起着双重作用:它提供了铝,其被沉积在阳极金属的形式,并作为的AlCl的源4 -充电期间所需的嵌入到正电极石墨离子。


因此,电解质的量对于电池的容量至关重要。因此,由于铝石墨电池的化学工作原理,其重量将是可比锂离子电池的五倍左右。除此之外,石墨阴极在每次充电过程中膨胀到其原始体积的两倍以上,并在放电过程中再次收缩。


这意味着:在任何情况下,此类电池都需要柔软的具有保护性的外壳,并具有足够的空间来“呼吸”。膨胀和收缩也影响耐冲击性和长期稳定性。在阴极的构造中这可能需要补救。


新电池管理


另一个挑战将是非锂离子电池的充电算法。由Kravchyk和Kovalenko领导的团队发现,通过熟练的逐步充电,可以将铝-石墨电极的性能提高25%。


在台湾,中国大陆,美国和德国工作的研究小组发现,冷却至–10摄氏度时,这种电极的功能明显增强。这些结果说明,必须与这些化学上完全不同的电池类型并行开发全新的电池管理系统,即新的传感器,充电器和算法。


尚不清楚上述哪种电池技术将占上风,一天之内可以在某些地区替代锂离子电池。研究人员在评估中强调,就能量密度而言,这些技术都无法与锂离子电池竞争。将来这种情况不太可能改变。


因此,这些类型的替代电池仅适用于应尽可能便宜地存储电力并且重点在于电池的可持续生产的应用。


需要更多的应用研究


因此,如果替代电池技术要胜过优质的旧锂离子电池,则全世界的研究小组仍有许多工作要做。Kostiantyn Kravchyk和Maksym Kovalenko呼吁采用更全面的方法。“通过研究人员的实验,研究人员通常只证明一个想法的可行性,所有必需组件的成本和整个电池系统的估计总重量都被忽略了,” Kravchyk说。


但是,正是这些参数对于可能的商业化至关重要。


“因此,与迄今为止相比,应该在研究中给予他们更多的考虑。”


尽管他们的研究有些发人深省,但Kostiantyn Kravchyk将来仍将继续研究替代蓄电池。


“使用石墨作为阴极材料的系统很有趣。我们已经能够证明正极材料的膨胀和收缩是可以解决的问题。”


现在,他与他的同事们正在探索“半固态”石墨电极,这种电极可以持续很长时间并且同时可以很好地传输电流。


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