手机没电,生无可恋,以后你还能指望谁?

2017-08-10 18:15阅读:
这篇文章里凡是你觉得十分炸裂的配图,均来自作者的灵魂手绘。
一、前言
你以为人类最底层的需求是WiFi?Too young!
人类最底层的需求是电池电量啊!
原图来自“马斯洛需求理论”,有人说我画的像一坨便便
目前,手机和电动车等产品中使用的电池都是锂离子电池。虽然这项技术在未来几年仍将如火如荼地发展,但科学界早有了一个共识:如果没有大突破,锂离子电池无法满足未来的储能要求。
如果,你想要买个一口气跑几百公里的电动车,或者用个三五天不充电的iPhone,那么关于电池的未来,你还需要知道点别的。
二、锂离子电池的窘境
商用的锂离子电池由三部分组成,分别是钴酸锂正极,碳负极和电解液。充电时,锂离子从正极中出来,经过电解液,到达负极,同时电子经过外电路转移到负极,放电时则相反。于是,随着电池一次又一次地充放电,锂离子不断地在两极间往返。这个体系自从被开发之后,已经几十年没有重大的改变了。

锂离子,如同希腊神话中的西西福斯,又好像数学题中往返AB两地的狗,就这样日复一日地奔波。
现有的锂离子电池技术面临着三个问题,分别是能量密度低,安全存在隐患,以及成本太高。

能量密度低
首先,能量密度是评价电池最重要的指标之一。同等质量的电池,谁能存储更多的电能,谁的能量密度就高。美国能源部曾经为锂离子电池规划了一个路线图,原定希望在2017年,锂电池的能量密度可以达到每千克400瓦时。这一数值意味着,现有的电动车通过单次充电可以持续跑500公里以上。然而,目前最优秀的商用锂离子电池也仅达到了预期的75%[1]。
安全有隐患
其次,在安全性方面,锂离子电池长期受人诟病。特别是三星手机的爆炸事故,把锂离子电池推到风口浪尖。
锂电池的安全隐患源自于对高温的敏感。一般来说,锂电池设备使用温度需要低于60℃。工厂在安全测试时, 会将电池置于80℃的环境中进行高温耐久考验,没有明显的变形或起火,就算是合格。还有一种比较极端的条件叫做热滥用测试:将电池放入130℃试验箱中,坚持半小时不起火,即算达到安全标准[2]。
截至目前, 媒体报道过的锂离子电池“致死”的事故有三起:
2009年,中国广州一男子疑似因手机爆炸,造成大出血死亡。随后调查发现其实是该男子随身携带的自制火药发生爆炸,而不是手机[3];
2013年,澳大利亚一名四岁女童,因为吞咽一枚锂电池,造成胃出血死亡[4];
2016年,美国印第安纳州两人醉酒驾驶电动车,高速撞到一棵大树,随后发生起火,一人因吸入浓烟致死,另一人因为撞击致死[5]。锂离子电池造成致伤的案例报道也有不少。
但是,如果我们梳理一下锂电池这几年“造的孽”,会发现其中绝大多数都是“非正常操作”造成的事故。有史以来,杀人最多的事物可能是刀子,但很少听到对刀子安全性的抱怨。一方面是人们发明了刀鞘,另一方面也是因为大家都知道如何使用它。希望锂离子电池也能迎来这一天。

成本居高不下
第三,造成锂离子电池成本居高不下的原因有两个方面。一是原料太贵。2016年,作为锂电池主要原料的碳酸锂,仅用半年时间价格就翻了2.5倍。当年要是买那么十几吨碳酸锂,比炒房挣钱。二是锂电池的生产尚未规模化,各大厂商都在各自为政。这时,特斯拉又站了出来。他们正在建造了一座千兆工厂(Gigafactory)。这家工厂又叫做超级电池工厂,建成后将成为世界面积最大的建筑。它的任务就是生产锂离子电池,并以一厂之力超过全球其他所有工厂产量总和,希望以大规模生产的方式降低成本。然而,这个大工厂距离全面投产的阶段为时尚早。
超级电池工厂模拟图。厂区像一盒子积木,厂长可能是前乐高高管。图片来源:Tesla.com
如上,性能,安全,价格这三座大山横亘在锂离子电池的未来之路上。科学家们也不确定锂离子电池在移动储能领域中霸主地位能延续到何时。
如果,锂离子电池的后续乏力,那么,下一个登场的领跑者会是谁呢?
三、可能的未来
目前,后备选手都很多,比如钠离子电池,多离子电池,金属空气电池,锂硫电池和液流电池等等。每一项技术都有自己的优势和不足。下面,就介绍三种潜力较大的电池。
钠离子电池
钠(Na)离子电池工作原理与锂离子电池类似,只不过将电荷的搬运工换成了钠离子。采用钠的最大好处就是储量丰富。钠的总储量是锂的400倍。
钠(Na)是最常见的碱性金属,也是地球上第六丰富的元素
此外,在电池中有一个份量很大的部件叫做集流体,用来收集产生的电流,再将这些电流供应到外电路。钠离子电池中集流体的材料是铝,而铝在锂电池中会被腐蚀,所以锂离子电池的集流体只能采用铜来制作。铝的价格是铜价格的三分之一。所以,钠自己便宜,他的小伙伴也很便宜。这个特点促成了钠离子电池在成本上的巨大优势。
但钠离子电池体系的缺点也很明显。
第一,钠离子的半径是0.102nm,而锂离子半径仅有0.076nm。不难想象,当一个胖胖的钠离子在电极中不断运动时,很容易引起电极材料微观结构的破坏和崩塌,也就是“撑坏了”,从而造成电池容量的迅速衰减。
第二,钠元素的相对原子质量是锂的3倍多,这意味着储存同样的一份能量,钠离子电池需要更大的质量,进而造成了它的能量密度较低。归根结底,钠离子电池的这些缺点只因为钠是个“胖子”。

心疼钠离子一秒钟。
多离子电池
在离子状态时,锂元素的价态是 1,意味着它的每次移动可以携带一个电荷,对应于一个电子的转移。所以,当锂的数量为n时,这个电池所能储存电荷数量的上限就是1*n。
如果,一个离子能够同时携带多个电荷进行移动呢?比如镁(Mg)离子价态是 2,可以同时携带两个电荷。理论上讲,使用同等数量的镁离子和锂离子,镁离子电池所能存储的电荷数会是锂电池的两倍。铝(Al)离子更厉害,可以同时携带三个电荷。
基于这个道理,科学家们就开发出了使用高价态金属离子的电池, 即多离子电池。因为相同数量的离子能够存储更高密度的电荷,所以多离子电池容易达到较高的能量密度。

此外,锂离子电池使用的电解液是一种有机溶液,易燃且有毒。但多离子电池所使用的电解液不同,安全性更好。比如,2016年《自然》(Nature)报道的铝离子电池中,所使用电解液化学稳定性很高,即使用电钻在上面钻个眼儿,仍然照常工作[6]。
铝离子电池的钻孔实验。图片来源:参考文献[6]
当然,多离子电池也同样会遇到很多麻烦。比如,镁和铝这些高价态离子,虽然离子半径没那么大,但是带的电荷多,所以在电解液中迁移速度慢。这就好比,提着两大箱行李,试图在春运的火车上穿过一节车厢。迁移慢所造成的后果是电池的倍率性能不好。倍率性能可以粗略的理解成电池的充放电速度。所以,多离子电池是很难实现“充电五分钟,通话两小时”这种性能的。

锂空气电池
让材料与氧气发生反应是人类获取能源一种最普遍的方式,比如烧木头或烧煤炭。因此,科学家试图通过锂与空气中的氧气进行反应,将产生的能量转为电能。这种设计就被称为锂空气电池。
锂空气电池的设计原理与锂离子电池有很大的不同。它的负极材料是金属锂,正极是空气,准确来说是空气中的氧气。放电时,金属锂向电解液提供锂离子,这些离子与氧气反应,生成过氧化锂,同时发生电荷转移,从而产生电能。
锂空气电池的理论能量密度很高,达到每千克12000瓦时,这一数值甚至和汽油(每千克13000瓦时)有一战之力[7]。而且,它使用的氧气来自于空气,这部分原料近乎无限。理论上来讲,锂空气电池的储能能力可以达到锂离子电池的12倍[7]。

燃烧吧,锂的小宇宙。
然而,锂空气电池也是一项争议很大的技术,它的反对者们主要有两个观点:
锂空气电池中发生的反应太复杂,有多种副产物生成。
这造成了科学家其实也不太清楚自己的电池中到底发生了什么。比如有个业内的八卦,说是一位很有名望的科学家在《科学》(Science)发了一篇锂空气电池的文章,达到了一个很棒的性能,可别人怎么也重复不出来。后来发现,他所做的锂空气电池中,发生反应的其实是集流体和电池壳,而不是预想的金属锂。最后闹得尴尬收场。2016年,几位电池领域的元老一起撰写了一篇评论,刊登在《自然-能源》(Nature Energy)上,在结尾处。他们感叹道:“没人能确定锂空气电池是否靠谱,但我们有责任去探究这种可能性”[8]。
即使不考虑电池本身的原料和组装等因素,想要大范围应用锂空气电池,现阶段也是不可能的。这其中一个重要原因是,虽然名为锂空气电池,但实际参与反应的是氧气,因此需要一套附属设施来进行提取出空气中的氧气。这套附属装置无论从成本还是便携度上都极大拉低了锂空气电池的竞争力。
然而,锂空气电池的巨大潜力和挑战,还是让很多有雄心的研究机构纷纷扎了进来,虽然,举步蹒跚。作为纳米科技的杠把子,IBM公司就曾想攻下锂空气电池这个山头。2009年,IBM推出了一个计划,名为“Battery 500”,寓意着开发一套能让电动车行驶500公里的电池。他们的着力点就是锂空气电池。项目伊始,他们设立的目标是2013年造出原型机,2020年实现商业化生产[9]。但是,2012年之后,你就很难在网上找到关于“Battery 500”的只言片语了。如果不是IBM在偷偷憋大招,那么只能说明,这个计划打脸了。不过也有传言说IBM并没有放弃,而是将目光投向了钠空气电池。希望蓝色巨人能给我们带来惊喜吧。
四、总结
每一项科技都有其自身的优点与缺憾。围绕着“性能,安全,成本”这三个指标,电池领域的科研人员每天都在探索着材料的极限。科技从来不是十全十美的,我们只能努力去完善。
真心希望电池技术越来越棒, 别的不说,让我能多玩几局农药呗。
(编辑:明天)
题图来源:电影《超凡蜘蛛侠2》
参考文献: The rechargeable revolution: A better battery, Nature, 2014, 507, 26-28. 中华人民共和国国家标准(GB/T 1.1-2009)便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求。 “广州‘手机炸死人’真相遭媒体质疑”,腾讯网,2009年2月5日,http://tech.qq.com/a/20090205/000232.htm. “纽扣电池成致命杀手 澳幼女吞下后不治身亡”, 映象网,2017年3月11日,https://kknews.cc/zh-sg/world/gv585bl.html. “Tesla crash in Indianapolis leaves two dead”,Daily Mail Online,http://www.dailymail.co.uk/news/article-3908700/Two-people-killed-Tesla-crash-Indianapolis.html. 'An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery', Nature, 2016,520, 324–328. Li–O2 and Li–S batteries with high energy storage Nature Materials. 2012, 11, 19-29. 'Advances in understanding mechanisms underpinning lithium–air batteries', Nature Energy 2016, 1,16128. 'Air battery to let electric cars outlast gas guzzlers', New Scientist, 2012, https://www.newscientist.com/article/mg21328466.200-air-battery-to-let-electric-cars-outlast-gas-guzzlers/
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