無“鋰”也能行遍天下?鎂鋅鈉電池漸受追捧

2021年12月07日07:46

圖片來源:視覺中國
圖片來源:視覺中國

如今,鋰電池已成為日常生活中不可或缺的設備,廣泛應用於手機、電腦、可穿戴設備、新能源汽車等領域,幾乎是“有鋰走遍天下”。但鋰電池也存在明顯的缺點:成本高、且用於生產鋰電池的原材料儲量少等。

鑒於此,不少國家的政府和企業紛紛加快步伐,佈局“後鋰電池”時代,比如歐洲有些機構致力於研製鎂電池和鋅電池、寧德時代推出了鈉電池等。正如《日本經濟新聞》雜誌網站在近日報導中指出的,圍繞鋰電池替代品的全球競賽已經開始!

鋰電池成本高

鋰電池誕生於上世紀60年代,上世紀90年代開始由日本索尼公司實現商業化,與其“前輩”鎳氫電池、鉛酸電池相比,能存儲更多電能,如今已經飛入尋常百姓家,廣泛應用於新能源汽車、個人電腦、智能手機等產品;它還可以儲存太陽能和風能,讓無化石燃料的世界成為可能。

鑒於鋰電池為人類作出的巨大貢獻,2019年,三位“鋰電池之父”榮膺諾貝爾化學獎,鋰電池也成為今天蓄電池行業的“當家花旦”。

但鋰電池的最大缺點就是成本高。只是用在智能手機上還好,如果需要大規模儲存電能的話,就需要相應的大型電池。日本經濟產業省的資料顯示,如果想讓鋰電池蓄電系統的蓄電成本達到與抽水蓄能電站持平的2.3萬日元(約合1280元人民幣)/千瓦,簡直就是癡人說夢。

此外,鋰電池原材料鋰、鎳、鈷的產地分佈極度不均,且全球的鋰和鈷礦藏並不能完全用於生產。鋰在地殼中的儲量為0.0065%,全球儲量僅有8600萬噸;相比之下,鈉、鎂、鋅的儲量要高得多:鈉在地殼中的儲量為2.74%,僅中國柴達木盆地的鈉鹽儲量就達到3216億噸;而鎂在地殼中的含量更是高達13.9%。

候選元素前景看好

因此,科學家們將目光投向了鎂、鋅、鈉等元素。

例如,英國劍橋大學、丹麥和以色列的知名理工科院校、德國和西班牙的研究機構共同發起了一個名為“歐盟鎂交互電池共同體”(E-Magic)的研究項目。這個為期4年的前瞻性項目得到了歐盟的資金支持,目標是研發能量密度超過1000瓦時/升(相當於鋰電池2倍)的、對環境友好的可充電鎂電池。

研究人員稱,這種電池以金屬鎂作為負極,由於一個鎂離子攜帶兩個電子,與只能攜帶一個電子的鋰離子相比,鎂電池的容量翻了一番,目前研製成功的鎂電池已經可以反複充放電500次以上。

據悉,2020年,美國休斯頓大學姚彥教授課題組聯合北美豐田研究中心成功研發出一種非常有前景的高能量鎂電池,其潛在應用範圍包括電動汽車、可再生能源系統的儲電池等。雖然眼下這款電池連續充放電只有200餘次,但研究團隊認為,他們已為更安全、性能更高的鎂電池找到了研究方向:正極使用有機化合物、負極使用芘四酮(PTO)實現快速且可逆的氧化還原過程,基於硼團簇的弱配位電解質則使離子運動更快。這種先進的陰極和電解質設計對鎂電池的發展具有重大的指導意義,並將加速鎂電池技術的商業化步伐。

此外,日本東京都立大學教授金村聖誌野研發出正極使用氧化錳、負極使用金屬鎂的電池。《日本經濟新聞》報導指出,雖然與鋰電池相比,目前鎂電池的性能還處於較低水平,但其潛力值得挖掘。未來,研究人員將著重解決電解液的改性問題,並加強電極材料的研究。

和鎂同樣引人注目的還有鋅。日本東北大學小林弘明副教授和本間格教授研發的新型鋅離子電池使用水溶液作為電解液,取代了傳統的有機溶劑,降低了電池起火的風險。來自美國西北太平洋國家實驗室和德國明斯特大學的研究人員也合作研發出一種“鋅金屬雙離子電池”,該電池由鋅陽極、天然石墨陰極和雙離子鹽水溶液組成。

今年7月,中國寧德時代公司發佈了一款鈉電池,具備迄今全球最高的能量密度和超快充特性(15分鍾可充電80%),預計寧德時代將不斷提升鈉電池的能量密度,並有望於2023年形成基本產業鏈。

鋰電池挖潛大有可為

儘管各種替代性技術研究如火如荼,但從目前的發展情況來看,無論是鎂電池、鋅電池還是鈉電池,在技術和材料方面仍有很多難題需要解決。比如,鎂離子體積小、電荷密度大、極化作用強,難以插入到多數基質中去,較難形成嵌入式化合物。因此,可供選擇的正極材料受限。

鑒於此,也有科學家致力於深入挖掘鋰電池的潛能,改善鋰電池的性能,研髮質量更好的鋰電池。

據《日本經濟新聞》報導,日本湯淺公司與關西大學合作,開發出一款以硫作為正極活性物質的鋰硫電池,其質量能量密度可達現有鋰電池的2倍左右——目前常用於純電動汽車的鋰電池質量能量密度約為200—300瓦時/千克,而此次開發的鋰硫電池質量能量密度則超過了370瓦時/千克。

研究人員解釋說,理論上相同尺寸情況下,鋰硫電池的容量可達傳統鋰電池的8倍,但卻存在電導率低、中間產物易溶於電解液等問題,而他們最新研製出的鋰硫電池採用了有微孔的碳粒,規避了上述兩個問題。湯淺公司表示,希望到2023年能將其鋰硫電池的質量能量密度提至500瓦時/千克。

(原標題:無“鋰”也能行遍天下,鎂鋅鈉電池漸受追捧|科技創新世界潮)

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