锂电池的新“杀手”

刘娉婷

寻找锂电池替代者的“运动”似乎从来没有停止过。虽然无论是常见的智能手机,或是当下正流行的新能源汽车,大部分可充电电池都使用的是锂电池,但因为锂的存储量有限,锂电池的成本和价格也愈发高昂。

《第一财经周刊》已经报道过氢电池、液流电池等潜在的替代者,而今年10月,由著名华裔科学家鲍哲南教授所带领的美国斯坦福大学化学工程系的一个研究团队,宣布研发出一种新型钠离子电池阴极材料,也成为一种新的选择。

这款钠基电池最大的优势就是“高性价比”。据团队自己估计,新电池的性能已经超过市场上80%的锂基电池,成本却比后者便宜。

“锂的储量太小,我们想要研制出一种通过使用地球上的富足元素制造出的电池,实现性能既高、价格又低廉的目标。”鲍哲南说。

他们将寻找的目标锁定在“富足元素”钠身上。地球上拥有丰富的钠资源,约占地壳元素储量的2.64%,且钠的化学状态也相对稳定。相比较而言,锂却是一种化学性质非常活泼的金属,对加工、保存和使用过程的环境要求很苛刻,这些都带来了成本的损耗。

通常,材料的价格占据电池价格的1/4。锂目前的成本高达1.5万美元/吨,而钠只要150美元/吨。这意味着,钠离子电池材料的开采和生产成本只有锂电池的1/100。

如果追溯充电电池的发展史,实质上已经历过三代技术的更迭。最早的充电电池是铅酸电池,主要为100多年前的内燃机汽车供电,但因能量低、电池使用寿命短的问题,很快被后来研发出的镍氢电池替代。

镍氢充电电池曾是电动汽车的首选动力电池,但它也受困于高昂的成本,影响规模化使用。而最近一代的锂离子电池,虽然成本也较高,不过相比镍氢充电电池,它的容量大且使用寿命更长。

其实,充电电池的工作原理都相似。充电时,外界的电能在电池内部转换成化学能并储存起来;放电时,化学能又转换成电能,并将电能供应给负载。比如锂离子电池一般采用锂合金金属氧化物如钴酸锂做阴极,石墨做阳极,电池中间填充着电解液,形成一条供离子游离的通道—当然,阴阳极之间还会有一层隔膜来防止电池短路。

当给电池充电时,在电场的作用下,阴极得到电子,发生还原反应,电势降低,成为负极,锂离子会从锂合金金属氧化物中游出,游离在电解液中,穿过隔膜中的孔隙,到达阳极与石墨中的碳反应生成碳化锂,此时阳极发生氧化反应。而在使用时,可以将充电电池看作一块普通的原电池。负极发生氧化反应,锂离子又穿过电解液回到正极,也即原先的阴极,产生电流为设备供电。这就是锂离子电池完整的充放电过程。

所以,如果要改进充电电池的性能,主要在于阴极、阳极和电解液的重新选择。

如果想要离子电池能够高效运行,必须同时满足两个条件。首先,电池的能量密度要够高,即单位质量的电池能够提供足够多的电量;其次,循环寿命要比较长,电量不会随着充放电循环次数的增加而产生明显下降的现象。

其实在斯坦福大学团队之前,科学界已经多次尝试过将钠的聚合物作为阴极材料,但因为很难同时满足上述两个条件,都不是很成功。如果想要在钠离子电池上有所突破,关键在于寻找到一种合适的钠离子材料。

在传统思维中,科学家们倾向于使用过渡金属及其合金类化合物,特别是层状结构的过渡金属氧化物NaxMO2及其二元、三元材料作为阳极材料。但它们即便已经展示出了不错的性能,但始终达不到锂离子电池的状态。

斯坦福大学化工系的这个研发团队跳脱出传统的框架,使用一种全新的有机材料“肌醇”与钠离子结合,形成Na2C2O6这种阴极材料。

肌醇是工业界中一种常见的有機化合物,它大量存在于米糠中,现在主要运用于婴幼儿奶粉配方中。这种钠与肌醇的结合方式,和我们日常食用的食用盐,即氯化钠有类似的结构。

Na2C2O6作为阴极材料,一次可以携带4个钠离子游离,这也是提高电池性能的重点。如此,理论上,电池将具有501毫安时/克的容量。而传统锂离子电池负极容量约为每克200毫安。

不过团队起初测试时发现,其实际的容量远低于该值。原因在于,在只更换阴极材料的情况下,Na2C2O6的反应变成不可逆,无法让4个钠离子都参到与反应中。

团队采用的办法是减小活性粒子的体积,并重新选择电解液,将不可逆过程转化为可逆过程。再次测试时,新型钠粒子电池的可循环电池容量已经接近于上限,达到484毫安时/克,并且阴极能量的转换效率达到87%。此时,钠粒子电池才实现了能量密度高且循环稳定的目标。

由于使用的原材料钠和肌醇价格都较为低廉,最后电池的成本据说有可能会控制在同等电量锂电池的80%以下。

不过,这款钠离子电池想要大规模批量生产和实现商业化,还需要一段时间的产品优化。新型钠离子电池的充放电周期较短,这款新电池在经过50次循环后,电极的容量已经下降了10%,目前还不适合实际应用。例如在屋顶太阳能电池板将太阳能转化成电能后,电池该如何有效储存,并将电力提供给居民使用。

此外科学家还没有找到满足工业化生产需求的阳极材料。由于钠离子的直径比锂离子大出50%,无法被常用于制造锂离子电池阳极的材料石墨吸收。所以,团队的下一步,需要研发出一种吸收效果好、价格同样低廉的阳极材料。根据鲍哲南的介绍,磷可能是一种候选材料,但如何大量生产的问题还没有解决。

“团队之前将研发的重点集中在成本和性能的比较上,也没有考虑体积的能量密度,即钠离子电池如果想要储存和锂离子电池相同的电量需要多大的容量,后续还需要改进。”鲍哲南说。

目前,除了斯坦福大学外,也有商业化公司已经瞄准了这片新领域。今年12月初,一家法国研究钠离子电池的新公司成立,并预计从2020年开始实现工业生产,目前已经生产出部分原型。充电电池的第四个时代总有一天会到来的。

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