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镁锌钠电池受追捧 无“锂”也能行天下

来源:科技日报2021-12-07 09:58

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  如今,锂电池已成为日常生活中不可或缺的设备,广泛应用于手机、电脑、可穿戴设备、新能源汽车等领域,几乎是“有锂走遍天下”。但锂电池也存在明显的缺点:成本高、且用于生产锂电池的原材料储量少等。

  鉴于此,不少国家的政府和企业纷纷加快步伐,布局“后锂电池”时代,比如欧洲有些机构致力于研制镁电池和锌电池、宁德时代推出了钠电池等。正如《日本经济新闻》杂志网站在近日报道中指出的,围绕锂电池替代品的全球竞赛已经开始!

  锂电池成本高

  锂电池诞生于上世纪60年代,上世纪90年代开始由日本索尼公司实现商业化,与其“前辈”镍氢电池、铅酸电池相比,能存储更多电能,如今已经飞入寻常百姓家,广泛应用于新能源汽车、个人电脑、智能手机等产品;它还可以储存太阳能和风能,让无化石燃料的世界成为可能。

  鉴于锂电池为人类作出的巨大贡献,2019年,三位“锂电池之父”荣膺诺贝尔化学奖,锂电池也成为今天蓄电池行业的“当家花旦”。

  但锂电池的最大缺点就是成本高。只是用在智能手机上还好,如果需要大规模储存电能的话,就需要相应的大型电池。日本经济产业省的资料显示,如果想让锂电池蓄电系统的蓄电成本达到与抽水蓄能电站持平的2.3万日元(约合1280元人民币)/千瓦,简直就是痴人说梦。

  此外,锂电池原材料锂、镍、钴的产地分布极度不均,且全球的锂和钴矿藏并不能完全用于生产。锂在地壳中的储量为0.0065%,全球储量仅有8600万吨;相比之下,钠、镁、锌的储量要高得多:钠在地壳中的储量为2.74%,仅中国柴达木盆地的钠盐储量就达到3216亿吨;而镁在地壳中的含量更是高达13.9%。

  候选元素前景看好

  因此,科学家们将目光投向了镁、锌、钠等元素。

  例如,英国剑桥大学、丹麦和以色列的知名理工科院校、德国和西班牙的研究机构共同发起了一个名为“欧盟镁交互电池共同体”(E-Magic)的研究项目。这个为期4年的前瞻性项目得到了欧盟的资金支持,目标是研发能量密度超过1000瓦时/升(相当于锂电池2倍)的、对环境友好的可充电镁电池。

  研究人员称,这种电池以金属镁作为负极,由于一个镁离子携带两个电子,与只能携带一个电子的锂离子相比,镁电池的容量翻了一番,目前研制成功的镁电池已经可以反复充放电500次以上。

  据悉,2020年,美国休斯顿大学姚彦教授课题组联合北美丰田研究中心成功研发出一种非常有前景的高能量镁电池,其潜在应用范围包括电动汽车、可再生能源系统的储电池等。虽然眼下这款电池连续充放电只有200余次,但研究团队认为,他们已为更安全、性能更高的镁电池找到了研究方向:正极使用有机化合物、负极使用芘四酮(PTO)实现快速且可逆的氧化还原过程,基于硼团簇的弱配位电解质则使离子运动更快。这种先进的阴极和电解质设计对镁电池的发展具有重大的指导意义,并将加速镁电池技术的商业化步伐。

  此外,日本东京都立大学教授金村圣志野研发出正极使用氧化锰、负极使用金属镁的电池。《日本经济新闻》报道指出,虽然与锂电池相比,目前镁电池的性能还处于较低水平,但其潜力值得挖掘。未来,研究人员将着重解决电解液的改性问题,并加强电极材料的研究。

  和镁同样引人注目的还有锌。日本东北大学小林弘明副教授和本间格教授研发的新型锌离子电池使用水溶液作为电解液,取代了传统的有机溶剂,降低了电池起火的风险。来自美国西北太平洋国家实验室和德国明斯特大学的研究人员也合作研发出一种“锌金属双离子电池”,该电池由锌阳极、天然石墨阴极和双离子盐水溶液组成。

  今年7月,中国宁德时代公司发布了一款钠电池,具备迄今全球最高的能量密度和超快充特性(15分钟可充电80%),预计宁德时代将不断提升钠电池的能量密度,并有望于2023年形成基本产业链。

  锂电池挖潜大有可为

  尽管各种替代性技术研究如火如荼,但从目前的发展情况来看,无论是镁电池、锌电池还是钠电池,在技术和材料方面仍有很多难题需要解决。比如,镁离子体积小、电荷密度大、极化作用强,难以插入到多数基质中去,较难形成嵌入式化合物。因此,可供选择的正极材料受限。

  鉴于此,也有科学家致力于深入挖掘锂电池的潜能,改善锂电池的性能,研发质量更好的锂电池。

  据《日本经济新闻》报道,日本汤浅公司与关西大学合作,开发出一款以硫作为正极活性物质的锂硫电池,其质量能量密度可达现有锂电池的2倍左右——目前常用于纯电动汽车的锂电池质量能量密度约为200—300瓦时/千克,而此次开发的锂硫电池质量能量密度则超过了370瓦时/千克。

  研究人员解释说,理论上相同尺寸情况下,锂硫电池的容量可达传统锂电池的8倍,但却存在电导率低、中间产物易溶于电解液等问题,而他们最新研制出的锂硫电池采用了有微孔的碳粒,规避了上述两个问题。汤浅公司表示,希望到2023年能将其锂硫电池的质量能量密度提至500瓦时/千克。(记者 刘 霞)

[ 责编:赵宇豪 ]
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