新一代电池花落谁家
新能源车产业看着花团锦簇,实际上像茶杯里的老鼠,看着透亮,前途不大。原因就在于电池的能量密度实在无法与传统动力相比。几乎全世界相关产业的科研力量都涉足了电池研究。突破了这一点,就突破了新能源车与传统动力车之间的藩篱,剩下的路一马平川。当然,神奇的自然规律不会让我们那么容易得逞。
电池中可怜的电子迁移比例,决定了电池远远比不上汽油,柴油,丁烷,丙烷,天然气,当然更比不上氢燃料——因为氢本身可以将全部的电子参加化学反应。丰田的氢燃料汽车,从能量密度角度看,是完美的化学解决方案。它的难度在于庞大昂贵的基础设施建设和吸附、储存介质——气态的氢实在太活跃太危险了。
本田燃料电池概念车FCV concept
结果就是丰田率领自己的雁阵,在列岛的孤立之境中曲高和寡地玩儿。氢燃料的科技门槛太高,以至于大家对燃料电池在广袤的大陆国家大规模应用,有点缺乏信心。当然,除非丰田能想出更石破天惊的法子,解除大家对燃料电池安全和成本的戒心。
无数聪明的头脑和天量科研资金,仍然投入到电池研发中,尽管它的能量密度可怜。
正如我们在高中化学中学到的,大多数物质电子转移的比例都很低。只有元素周期表的前两行的轻原子有可能成为好的能量载体。除掉惰性气体和氮(跟惰性气体差不多的德性),还有熏死人的氟,只剩下氢(100%),碳(66%),硼(60%),铍(50%),锂(33%)——括号里是参加反应的电子比例。
丰田氢燃料电池概念车——FCV Plus
大家很容易发现,最适合能量载体的仍然是碳和氢。碳氢化合物,不就是我们常用的汽油天然气一类的燃料吗?
出于排放考虑的电池,能选用的正负极材料,仍然必须在上述圈子里寻找。在可怜的能量密度提不上去的同时,我们还得操心别的事。
经典派
电池技术已经发展了百余年,早就过了爆发期。对于未来我们必须要有现实态度。支持电池发展的分子物理和化学分支,二战以后没有重大理论突破。我们见证了从铅酸到镍镉、从镍镉到镍氢、从镍氢到现在的锂离子的可充放电池发展历程。这期间电池结构没有什么变化,可预见的未来也不会有。因此,不要想着爆个大新闻。
研究经典电池的大多数机构或者公司,都在正负极材料、电解液、隔膜上做文章。
特斯拉Model S配高性能钴酸锂电池
倒退两年,正极材料研究是热点。除了特斯拉热捧的钴酸锂之外,目前的其它锂电池正极热点材料,还有三元化合物Li(Ni Co Mn)O2、磷酸铁锂(Li Fe PO4)。然而由于压实密度原因,采用这些材料的电池的容量并不如钴酸锂电池。为什么人们还要大力研究?
Model S电池与车架融为一体
钴酸锂电池好是好,只是由于热失控的问题体积做不大。基于同样的原因,为追求大电量,需要将众多钴酸锂电池堆叠在一起。精确管理这些小电池,似乎成为控制技术的噩梦。特斯拉将它们划分成数百个小单元分别控制。但过高的成本让特斯拉缺乏追随者。
前几天在京高调召开发布会的微宏公司,用三元材料作正极,钛酸锂作负极,并对电解液和隔膜进行了独到的设计。公司高层宣称可以在300摄氏度时不陷入热失控。
锂空气电池
除了还原剂令人头痛,氧化剂的选择也没有什么余地。如果不用过渡金属,卤素也显然不行,那就只能选氧与硫。锂空气电池(锂、氧)与锂硫电池都有很多人研究,但进展寥寥。除了IBM曾经爆出过大新闻。
IBM旗下的
"电池500"项目,致力于使锂空气电池商用化。和目前商用的重金属氧化物作为阴极的锂电池不同,锂空气电池的负极是泡在有机电解液里面的碳棒,反应物则是空气中的氧气。
空气理电池作用原理图
这种反应模式最大的优点是无须自带阴极氧化物,重量大大减轻,能量密度可以提升10倍,插电式电动车依靠这种电池可以一次行驶800公里,超过传统动力车。不仅如此,锂空气电池也可以不进行充电,直接更换正负极卡盒,算是一种新型的燃料电池。
既然使用空气,该电池必须设计成开放系统,电极和电解质都暴露在空气中,这使得人们始终无法维持这两者的稳定性,被当做阴极的碳棒会与电解质产生各种意料之外的副反应,导致负极迅速劣化。无论"锌空"到"锂空",都被严厉地批判过。
日本旭化成公司(Asahi Kasei)和中央硝子公司(Central Glass)在分离膜和电解液方面为该小组提供支持。
该小组尝试将碳棒换为昂贵的纳米金阴极,将阴极反应液换成更不容易参与阴极反应的有机液体。并声称获得"充放电高达数百次而性能下
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