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三种电池克服传统弊端 或许改变世界

2015-06-26 15:52:39来源:戴客网

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 固态电池

随着智能化物品越来越广泛,连小小的电池也不肯放过啦,如今电池技术领域里有最新研究成果,虽然这些新技术可能暂时还无法实现大规模应用,但在研究人员的不懈努力之下,技术突破和商业应用之间的距离正在逐渐缩小。本文将要介绍的就是三种极具发展前景的电池技术,它们不仅很快会出现在我们的生活当中,并有可能真正改变这个世界。

固态电池

目前被大规模应用锂离子电池存在一个很大的缺点,那就是可能会毫无征兆地自燃。为了解决这个问题,研究者开发出了一种新型的固态电池。

固态电池拥有多种类型,但它们的共同之处是放弃了锂离子电池当中可燃性很高的液态电解质,转而使用了其他材料——通常是金属混合物——来在电极之间传导电子和产生电能。

由于内部不含液体,固态电池也就没有必要被加入绝缘层和其他安全措施,因此这种电池的体积和重量相比锂电池有所降低,同时适应能力更强。对于电动汽车厂商来说,这些都是颇具吸引力的优势。目前,美国能源部能源高级研究计划局(ARPA-E)就正在测试两个不同的固态电池项目,其一是锂离子固态电池,另一个则完全不使用锂。

Sakti3是固态电池领域里的领军者,这家公司的技术已经十分接近量产的程度。虽然这听上去令人期待,但由于保密工作十分到位,我们对于Sakti3的固态电池技术还知之甚少,但它们已经吸引到了来自知名企业的投资,比如通用汽车。QuantumScape也是一家固态电池技术公司,这家企业虽然更加默默无闻,但他们的技术据传和Sakti3较为类似。

不过对于固态电池来说,距离大规模商业应用还有待时日。这种电池技术所面临的最大挑战之一并不是化学材料本身,而是在工厂当中以相比传统电池更低廉的价格实现量产。

铝空气电池

除了易燃之外,锂这种最常见的电池材料还有其他弊端,比如开采成本昂贵,释放电子的效率低——这也是锂电池充放电速度较慢的原因。

那么有没有一种电池完全不含锂,还能在几秒之内完成对手机的充电呢?以色列公司Phinergy就有一种解决方案:铝空气电池。这种电池两个电极的材料分别是铝板和氧气——具体来讲,是氧气和水电解质。当氧气和铝板发生反应,电能便会产生。

铝空气电池已经存在了很长一段时间,但外界对它的兴趣在最近几年才开始增加。从理论上讲,这种电池的容量可达到锂电池的40倍,而Phinergy更是声称它可将电动汽车的续航里程延长至1000英里。

铝空气电池

但是,铝空气电池内部产生电能的化学反应也存在一个很大的弊端。在和氧气发生反应的过程当中,铝板会持续被分解,并最终会无法再充入电源,只能进行替换。在大规模应用上面,这会是个很大的问题。

对于铝空气电池的研究目前并未停止,有几家公司声称他们将会在未来几年里将其带入市场,其中就包括Phinergy。与此同时,日本的冨士色素公司最近声称他们在该技术的研究上已经取得了重大突破。这家公司表示,他们发现了一种使用绝缘材料保护铝板的方式,使其可以持续被充电。

铝空气电池2

即便铝空气电池最终失败,许多研究者都认为铝会成为未来的电池材料。最近,斯坦福的一支研究团队就对外介绍了一种将铝和石墨烯作为电极材料的电池。这种电池(用在智能手机当中)不仅可在1分钟的时间内完成充电,且由于使用了一种安全系数很高的液态电解质,它即便被钻出一个洞也不会爆炸,并可继续工作。

微电池

体积是传统电池的另一个大问题。虽然电子设备的其他零部件都正在越变越小,但电池依然还十分笨重。除了手机和笔记本这种设备之外,体积问题同样困扰着医疗植入物,因为在需要电源供应的同时,它们的体积必须足够小,才能被植入人体。

目前,3D微电池是一个非常热门的研究方向。这种所谓的3D和2D有什么区别呢?你可以把2D电池看作是一块蛋糕:它们有两个电极,中间由电解质分隔。这种电池可以做到超级纤薄,但电源输出也会因此变得非常低。

微电池

对比之下,3D电池更像是蛋糕卷。想要增加电极的表面区域,你可以在微观层将它们环环相扣。增大了表面积之后,电子也就可以更加轻松地从一个电极移动至另一个——这样做可以增加电池的功率密度,或是提高充放电的速率。

科学家们目前正在探索生产这种微型电池的不同方式。在2013年,哈佛大学的一支研究团队就使用3D打印机和锂“墨水”达到了将纳米大小阴极和阳极环环相扣所需的超高精度。

而在最近,伊利诺伊大学的研究团队又展示了他们是如何使用一种名为全息光刻的技术来制作3D电池的。这种技术会利用超高精度的光束从光刻胶当中制作出电极的3D结构。相比3D打印,全息光刻技术的成熟度更高,因此可能更加适合量产。

但和所有电池一样,3D电池技术在功率密度、产生电能的速率、电能密度和总体容量之间会产生权衡。想要在这些方面都达到很高的水平并不是件易事,而这正是伊利诺伊大学的研发团队所要做的。如果成功实现商业化,那这种电池技术将会产生巨大的影响力。

标签:智能电池
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