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电池面临五大挑战 硅和石墨烯成点金石

2016-10-04 03:10
默菲
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  能源是解决电动汽车成本的关键

  报道称,最大的问题在于电池的存储能力。一块锂电池的重量能量密度大约为每千克160瓦时。目前市场上最先进的锂电池的能量密度可以达到每千克250瓦时,但价格不菲。作为电动汽车的驾驶者,如果想将来不再为了电池的续航能力而焦虑,就必须把电池的存储能力至少提高到每千克350瓦时。如果不行,唯一的选择就是多准备电池和增加汽车重量,或者提高电池充电的成本和时间。

  锂依然是实现质的飞跃的最有诱惑力的材料。因此,各个实验室都在集中精力做三件事:提高电池正极材料技术;提高负极材料技术;获得更有效的电解溶液,如果可以就使用固态电解质,以便提高电池的安全性和设备容量。

  硅和石墨烯:新的能源点金石

  关于电池正极材料,最有前途的要属用硅结构代替石墨。在充电过程中每克硅吸收的锂离子10倍于石墨材料,但问题是更大量的吸收就意味着更大量的扩散。斯坦福大学正在试验使用纳米硅结构,这种材料可以受控制的扩散,但是距离进入商业化阶段仍需要继续多年研究。

  另一种选择是用科学界一直在谈论的石墨烯代替石墨作为正极材料。这种堪称“奇迹”的材料由纯碳组成。由多层一个原子厚度组成的石墨烯正极吸收的离子量更大,因此在相同重量下可以制造出双倍的电池容量。但是,这种材料也依然存在一些今天的石墨电池同样有的难以解决的问题。碳对于充电过程而言并非一种理想材料。

  负极材料的更新换代则取得了更好的成果。通过一些纳米材料,多个实验室都实现了更加有效地缩短离子在正负极极片之间流动的距离,从而提高充电速度。

  电解质:液态到固态的跨步

  但是未来电池最大的变革将是创造新的电解溶液。从液态向固态电解溶液的跨步将让电池变得更加安全。这样既可以大幅度地提高电池容量,还可以在更短时间内完成充电。一些企业已经开始生产这种固态电池,有的已经进入商业推广阶段。

  巴黎的汽车租赁公司BlueIndy就提供采用固态电池的电动汽车租赁服务。固态电池的制造成本仍然昂贵,而且目前任何一种固态材料都无法证明在效率上能优于液态电池,而且某些固态材料还受到温度的限制。

  最有发展前景的一个研究方向是陶瓷材料。马里兰大学已经研制出了高传导率的方法,可以制造出更加轻便和高效的电池。该大学工程学教授埃里克·瓦克斯曼指出,这种材料的电池更加安全,符合现今从燃料汽车向电动汽车过渡的市场要求。马里兰大学的研究项目已经吸引了包括美国航天局在内的很多机构。美国航天局认为能够解决未来空间任务中的能量储存问题。

  容量更大、充电时间更短的电池将让交通运输和消费电子产品都经历革命,但其最大的影响则是在可再生能源领域。随着光伏和风力发电的成本日益降低,可再生能源利用在全球日益普及。

  风力发电和太阳能板可以间断性地产生电力,在电力需求低时作为电网的补充。夜间通常是人们的用电高峰。在这样的时段,仍然必须依靠油气能源或核能作为主要能源的发电站提供的电力。能够高速充电和能量密度更高的电池可以弥补电力系统的缺陷,在白天储存电力供人们夜间使用。

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