每塊成功的充電電池背后,都有一群“得寸進(jìn)尺”的科學(xué)家

1、每塊成功的充電電池背后，都有一群“得寸進(jìn)尺”的科學(xué)家鋰電池修復(fù) 鋰電池 手機(jī)鋰離子電池 18650鋰電池 鋰聚合物電池 聚合物鋰離子電池 5號(hào)充電電池 充電電池什么牌子好 充電電池哪個(gè)牌子好 充電電池壽命 鎳氫充電電chenwei 發(fā)表于  2015-05-05 17:43 近日，斯坦福大學(xué)的戴宏杰研究組在自然發(fā)表論文，宣布研發(fā)出了充電極快、壽命超長(zhǎng)的鋁離子電池，引起了廣泛關(guān)注。比起耳熟能詳?shù)摹颁囯姵亍?，人們?duì)鋁離子電池的感覺要陌生得多。為什么要研發(fā)這樣的新電池？這還得從充電電池的發(fā)展說起。初中時(shí)，我有一部黃色的隨身聽。我給它準(zhǔn)備了3對(duì)充電電池輪番上陣，這樣，當(dāng)周杰倫的聲音突然變得緩

2、慢時(shí)，我知道總有電池可以更換。后來，我有了MP3和手機(jī)，就漸漸不再聽隨身聽了，需要經(jīng)常充電的，也從圓柱形的5號(hào)電池?fù)Q成了扁扁的鋰電池。在我看來，世上無法逃避的事情，除了死亡和交稅，還有給電池充電。不是每一節(jié)電池都叫可充電電池電池是生活中再常見不過的物品了。它進(jìn)入人類世界已有200年的歷史。早在1800年，意大利科學(xué)家亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta）就發(fā)明了“伏打電堆”。伏打電堆由很多個(gè)單元堆疊而成，每個(gè)單元都有一塊銅板和一塊鋅板，中間由一塊浸有鹽水的布隔開。時(shí)至今日，生活中常見的堿性電池、鉛酸電池、鋰電池等電池，都與古老的伏打電堆共享著同樣的工作原理：通過氧化還原

3、反應(yīng)將自己儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。描繪伏特（左）向拿破侖（右）展示伏打電堆的畫作。圖片來源：這一看似神奇的過程其實(shí)并不復(fù)雜。一塊電池主要由正極、負(fù)極和電解液三部分組成。當(dāng)電池與外電路聯(lián)通時(shí)，負(fù)極一端就開始發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出電子；正極一端則發(fā)生還原反應(yīng)，正好需要補(bǔ)充電子。由于電解液將兩極隔開，只允許離子流動(dòng)，不允許電子流動(dòng)，于是電子通過外電路從負(fù)極流向正極，形成電流做功，化學(xué)能也藉此轉(zhuǎn)化成了電能。原電池示意圖。陽(yáng)極（Anode）與陰極（Cathode）與外電路連接，浸泡在電解液中，電池工作時(shí)，電流從陰極流向陽(yáng)極。因此此處，陽(yáng)極和負(fù)極是同一電極，陰極與正極是同一電極。圖片來源：Arumugam

4、Manthiram, Smart Battery MaterialsIn, CRC Press, 2009, pp. 8.但如果用一次性電池為隨身聽供電，那么一張專輯剛刷幾遍，電池就該扔了。一次性電池的電化學(xué)反應(yīng)是不可逆的，也就是說，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的旅程只能一條路走到黑，電量用盡，電池也沒用了。能不能來一種可以重復(fù)使用的電池？這種“得寸進(jìn)尺”的需求，最終促成了世界上最早的可充電電池鉛酸電池的誕生。它由法國(guó)物理學(xué)家加斯頓·普蘭特（Gaston Planté）于1859年發(fā)明。可充電電池采用的是可逆的電化學(xué)反應(yīng)，只要施加外電壓，改變電子流動(dòng)的方向（從正極流向負(fù)極），電池兩極就

5、會(huì)發(fā)生與放電時(shí)方向相反的化學(xué)反應(yīng)，仿佛“返老還童”，最終重新充滿電力。這項(xiàng)發(fā)明影響之深遠(yuǎn)令人不服不行時(shí)至今日，人們?cè)趩?dòng)汽車引擎時(shí)使用的蓄電池依然是鉛酸電池。鉛酸電池的負(fù)極與正極分別采用海綿鉛及二氧化鉛，電解液使用稀硫酸。它可以提供很大的電流，價(jià)錢也不貴，但就是體積太大了些。普蘭特和他發(fā)明的鉛酸電池。圖片來源：bb-鉛酸電池做不到面面俱到？沒關(guān)系，后面還有一堆科學(xué)家躍躍欲試呢。此后，研究者們又不斷探索，發(fā)明出采用其他化學(xué)反應(yīng)的充電電池，如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。它們能量密度更大，體積更小，可以用于為各類小型電子設(shè)備提供電能。青出于藍(lán)的鋰離子電池之前說到，電池工作時(shí)，電子通過外電路從負(fù)極流向

6、正極。與此同時(shí)，相同電荷量的正離子則在電池內(nèi)部從負(fù)極向正極流動(dòng)。早期的電池都使用諸如稀硫酸這樣的以水為溶劑的電解液。在這種情況下，電池內(nèi)肩負(fù)維持電荷平衡任務(wù)的是氫離子。然而，使用水系電解液的電池，最多能達(dá)到的工作電壓也不過2伏左右。如果我們想要獲得更高的電壓，輸出更大功率，就要使用不含水的電解液，找到替代氫離子的正離子。查看元素周期表，最佳的候選者落在了鋰離子身上：作為3號(hào)元素，鋰的原子量只有6.9；它既輕又小，比其他大的離子更容易在電解液中移動(dòng)，可謂不二之選。確定了鋰離子，接下來的任務(wù)，就是找到可以與之發(fā)生可逆反應(yīng)的電極材料了。到20世紀(jì)70年代，美國(guó)化學(xué)家斯坦利·惠廷厄姆（M.

7、Stanley Whittingham）在?？松‥xxon）工作時(shí)率先發(fā)明了鋰離子電池。經(jīng)過多年優(yōu)化，商業(yè)化的可充電鋰離子電池在20世紀(jì)90年代初在日本推出。斯坦利·惠廷厄姆目前仍是下一代鋰電池設(shè)計(jì)的重要研發(fā)者。圖片來源：鋰離子電池的負(fù)極使用石墨，正極使用鈷酸鋰，電解液則使用含有鋰鹽（如六氟磷酸鋰）的有機(jī)溶劑。放電時(shí)，嵌入在石墨負(fù)極中的鋰被氧化進(jìn)入電解液，跑到正極嵌入到氧化鈷的晶格間隙中形成鈷酸鋰；充電時(shí)，鋰則從鈷酸鋰中脫嵌，溜回石墨中，如此循環(huán)往復(fù)。這樣的電池，工作電壓可達(dá)到3.7伏以上，能量密度大大提高。但所謂金無足赤，盡管鋰離子電池大獲成功，也免不

8、了還有缺點(diǎn)比如價(jià)格較高，容量流失，以及最嚴(yán)重的安全性不高的問題。鋰離子電池電解液使用的有機(jī)溶劑十分易燃，雖然我們可以通過加入添加劑和改進(jìn)電池設(shè)計(jì)來提高電池的穩(wěn)定性，卻終究不是長(zhǎng)久之計(jì)。厚望加身的鋁離子電池原理上，我們只要用另一種X離子來替代鋰離子，并找到與之匹配的電極和電解液，就可以得到“X離子電池”。在眾多“X”的候選者中，鋁算是優(yōu)勢(shì)比較明顯的：它的價(jià)格比鋰更低，化學(xué)性質(zhì)也更穩(wěn)定，而且在反應(yīng)時(shí)，每個(gè)鋁原子可以釋放3個(gè)電子，似乎是個(gè)不錯(cuò)的選擇。然而，研發(fā)鋁離子電池的道路并不順利。最大的困難在于找到合適的正極材料和電解液。在以往的研究中，正極材料往往會(huì)在充放電過程中發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)破壞，能有效參

9、與反應(yīng)的部分因而越來越少。最終，電池容量迅速下降，使用壽命只有幾十個(gè)循環(huán)這顯然不能滿足人們的需求。在研究者們鍥而不舍的努力之下，上月，鋁離子電池終于迎來了大突破。斯坦福大學(xué)化學(xué)系的戴宏杰教授在自然發(fā)文宣布，他的研究小組成功制造出了超長(zhǎng)壽命的鋁離子電池。戴宏杰（右）和文章的共同第一作者之一龔明（左）圖片來源： Mark Shwartz/Stanford Precourt Institute for Energy這種電池選用鋁金屬作為負(fù)極，正極則是一種三維結(jié)構(gòu)的泡沫石墨。秘制電解液由有機(jī)鹽 EMImCl（1-ethyl-3-methylimidazolium chloride） 和 AlCl3 按

10、一定比例混合制成的離子液體。負(fù)責(zé)在電解液中轉(zhuǎn)移電荷的離子是 AlCl4-。電池放電時(shí)，鋁負(fù)極被氧化生成 Al2Cl7-，同時(shí)釋放電子；本來嵌入在泡沫石墨正極孔隙中的 AlCl4- 則脫嵌進(jìn)入電解液。充電時(shí)，電解液中的 AlCl4- 則重新嵌入到泡沫石墨孔隙當(dāng)中。因?yàn)?AlCl4-離子的體積較大，因此找到一種可以允許它快速嵌入/脫嵌的的正極材料頗為關(guān)鍵。研究人員巧妙地制備了泡沫石墨它內(nèi)部充滿空隙，表面積很大，讓AlCl4-離子可以快速自由地進(jìn)出。以泡沫鎳為模板，研究者先用化學(xué)氣相沉積法在它的表面沉積上石墨，再覆蓋上一層聚合物PMMA；接著用相應(yīng)溶劑將泡沫鎳和PMMA相繼溶解，得到三維結(jié)構(gòu)的泡沫石

11、墨。用普通非泡沫熱解石墨做正極的話，鋁離子電池的充放電速率只有使用泡沫石墨時(shí)的75分之一。圖片來源：參考文獻(xiàn)1在經(jīng)過驚人的7500次充放電循環(huán)后，這些鋁離子電池的容量幾乎沒有損失，工作電壓也穩(wěn)定在2伏左右。除了壽命長(zhǎng)，這種鋁離子電池功率密度也很高（3000W·kg1），可以在一分鐘內(nèi)充滿電。此外，它們?nèi)嵝詷O好，可以隨意彎曲；安全性能也超棒，哪怕用電鉆將它鉆穿，也不會(huì)影響它正常工作。鋰離子電池被戳開一個(gè)洞很可能帶來嚴(yán)重的后果，但用鉆頭（Drill）鉆穿戴宏杰研究組的鋁離子電池，電池依然能正常工作。圖片來源：取而代之？說了這么多優(yōu)點(diǎn)，這樣的鋁離子充電電池什么時(shí)候能

12、走進(jìn)我們的生活？恐怕還早得很。目前，它的工作電壓只有鋰離子電池的一半，能量密度也只有 40 Wh·kg1，與鉛酸電池相當(dāng)，還不到鋰離子電池的三分之一，所以大家應(yīng)該還沒法在智能手機(jī)、筆記本電腦或電動(dòng)汽車?yán)锟吹剿?。除了性能的提高還潛力很大之外，這些鋁離子電池的生產(chǎn)成本也有待降低它的電解液使用離子液體，價(jià)格較高；用于制備泡沫石墨正極的化學(xué)氣相沉積法也不便宜、是很難投入大規(guī)模生產(chǎn)的工藝。要達(dá)到“物美價(jià)廉”，研究者們還有很長(zhǎng)的路要走。但不管怎樣，鋁離子電池在使用壽命、功率密度和安全性方面的性能依然優(yōu)越，如果未來可以降低生產(chǎn)成本，它們將會(huì)十分適合用于在對(duì)能量密度要求不高的地方發(fā)揮作用。比如在電網(wǎng)

13、儲(chǔ)能系統(tǒng)中，它們能為太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源儲(chǔ)能，還能作為家用大型電池，為電動(dòng)車充電，或是在停電時(shí)為電器供電。一旦科學(xué)家能夠研發(fā)出比泡沫石墨更好的正極材料，進(jìn)一步提高鋁離子電池的工作電壓，它的用途將更加廣泛。隨身聽走了，MP3也快走了，科技產(chǎn)品一代又一代地從我們的生活中出現(xiàn)又淘汰，電池和研究電池的人卻一直還在。之后還會(huì)有怎樣的電池驚艷我們的生活？給裝備充好電，拭目以待吧。（編輯：Calo）果殼網(wǎng)已經(jīng)加入自然出版集團(tuán)媒體分享白名單，點(diǎn)擊文中的論文鏈接即可免費(fèi)閱讀全文。參考文獻(xiàn)：1. Lin, Meng-Chang, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery. Nature (2015).2. Nagaura, T. & Tozawa, K. Lithium ion rechargeable battery. Prog. Batteries Solar Cells 9, 209 (1990).3. Wessells, et al.  Investigations of the Electrochemical Stability of Aqueous Electrolytes for Lithium Battery Applications. Electrochemic