技術與應用

鋰電池:未來發展的基礎


在對放電過程的管理操作和極限性的理解上仍有挑戰,但基礎研究仍是鋰離子電池創新技術進一步發展的關鍵。

 

電池以化學能形式儲存電量。便攜式電子設備、 電氣化的運輸和網格規模的應用程式都需要無害、 安全的,具有能量密度高、 循環壽命長,包含低成本材料的電池。

 

可充電的鋰離子電池在1990 年代的早期的商業化,被視為自 18 世紀末Alessandro Volta的電池技術發明以來最重要的複興裏程碑。

盡管鋰離子電池在近幾十年來取得了一些顯著成就,但是鋰電池發展的速度仍然是相當遲緩的︰ 在過去的 25 年商用鋰離子電池的能量密度相當線性的增加了數字4的影響因子。目前先進的商用鋰離子電池具有少於 300 Wh kg−1 能量密度 ,這低於 400 Wh kg−1美國能源部的2017年目標。而未來的幾年鋰離子電池將持續扮演關鍵角色,已達成的共識是,現在鋰離子電池將不能夠滿足未來長期的發展需要,對新的電池技術的發展需求是極為迫切的。

 

使用新的化學物質的電池,以實現更高的能量密度和循環壽命長,通常被稱為POST鋰離子電池。然而,其發展仍然存在巨大挑戰,在電極、 電解質和其界麵的電池過程等許多方麵仍然缺乏認識。獲取足夠的基礎知識勢在必行,以實現POST鋰離子電池的全部潛力。在這個問題上,我們提出四個POST鋰離子例子 — — -空氣、 鋰-硫、 金屬鋰和固態電池 — — 以著重說明取得的理解和仍然需要解決的問題。

 

Photo source:Nature Energy


-空氣電池使用氧氣,作為正極活性物質,其可以從空氣中得到︰ 在放電時氣態氧分子獲得電子,形成了放電效應而電荷逆向反應也同時發生。這一過程可能聽起來很簡單;實際上反應的減少的氧素物質可以誘發電解質和正電極的寄生性反應,會造成電池可逆性問題。在Peter Bruc和其同事的綜述中調查了氧化還原機製在氧電極和電解質溶液對其依賴的最新進展。他們還討論了目前麵臨的挑戰和可能的解決方案,以在電池操作過程中保持穩定的電極和電解質。

 

另一方麵,鋰-硫,也有其自身固有的問題。硫還原得到的鋰聚硫中間產物是可溶性的,其並因此可以穿梭於電極間,這可以造成明顯容量損失而限製了電池壽命。Linda Nazar和他的同事綜述了理解多硫化鈉化學在鋰-硫電池的最新進展,該文章側重於使用各種化學相互作用將硫化物限製在主電極材料,以減輕他們穿梭的問題。他們還討論了發展多功能的正電極材料,以實現高硫加載,以及多功能的電解質,以進一步管理多硫化鈉溶出度的關鍵問題。

 

由於鋰很高的比容量,純鋰金屬將是鋰離子電池理想的負極材料。不幸的是,純鋰與液體電解質的反應活性太高;在負電極鋰粗糙的電沉積誘導的枝晶的形成也會造成安全隱患。這種挑戰已困擾鋰金屬電池發展幾十年,隻是最近才在這一研究領域經曆了文藝複興時期。Lynden Archer 和同事以他們的角度分析了電沉積的金屬鋰電池的基本原理,並提出設計原則穩定電解質和鋰-金屬/電解液界麵。這或許可提供未來發展的指導思想。



  Stages of dendrite growth on a planar Li metal anode,SourceDesign principles for electrolytes and interfaces for stable lithium-metal batteries/nature energy


與此同時,固態電池其中固體來替代含有具有快速離子電導性固含物的常規液體電解液— —這為建設更安全的鋰離子電池提供有吸引力的替代方案。就像很多已發布鋰離子技術一樣,對作為一個可行的平台存在固態電池的前景同樣存在樂觀和悲觀兩種看法。Jürgen Janek 和他的同事討論了諸多實現高性能的固態電池的關鍵問題,包括電池機械完整性和長期運行的關鍵問題。針對未來固態電池他們也提供他們的意見,關於是否可以達到高電壓、 高功率密度及是否鋰金屬陽極可以帶來很多需要的電池容量的增加。

 

上麵列出的例子並不能全麵概括POST鋰電池的一些新的理解。也有其他很多的努力,但是在開發中的各種電池技術中,每個都有自身的優勢和缺點。例如鈉離子,得益於豐富的鈉資源和與鋰離子電池相近的電化學,不過由於鈉的離子質量大會犧牲能量密度。基於多價離子,如鎂和鋁,電池中允許多價電荷傳遞,而不是像鋰離子電池提供的單電子的運輸。在這樣做時他們產生了新問題,例如低離子電導率。氧化還原液流電池與傳統的鋰離子有完全不同的體係結構,因為能量儲存在來自外部槽的兩種可溶性還原組合的燃料流動。他們在網格規模存儲,具有獨特的優勢卻常常苦於響應速度慢、 低耐久性和能源效率偏低。當然,極大的挑戰也存在將科學發現通過移動到商業上的成功,給電池發展帶來完全不同的維度。

 

從這些例子我們希望獲得基本層麵的突破,以實現性能的向前跨越式發展 — — 否則鋰電池發展仍將緩慢和隻是增量的優化。這裏著重列出的對電池過程的基本理解的進展對實現POST鋰離子電池提供了真正的希望。


來源:NATURE ENERGY | VOL 1 | SEPTEMBER 2016 | www.nature.com/natureenergy


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