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    锂电池替代品研发竞争激烈,锂电池会失去C位吗?

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    •   锂离子电池已广泛应用于消费类电子设备、新能源汽车及储能等领域。但是,锂资源储量有限且分布不均,难以满足未来社会对大规模储能的低成本要求。科学家们一直在努力寻找锂电池替代品,钠离子电池、镁离子电池、铝离子电池等纷纷进入了开发研究的视野,竞争相当激烈。

        钠离子电池

        钠与锂的化学性质相似,多年来一直是研究新型电池的基础。钠储量丰富,价格低廉,但这并不意味着钠离子电池就是一个完美的解决方案。其关键挑战在于,电池既要有高的能量密度又要有良好的循环寿命。

        近日,全球动力电池龙头企业宁德时代宣布,目前公司已启动钠离子电池产业化布局,规划是将第二代钠离子电池能量密度做到200瓦时/千克以上,2023年形成基本产业链。

        目前,国内外已有近三十家企业对钠离子电池技术进行了布局。

        镁离子电池

        锂和钠都是很好的电池成分,但是它们的离子只能携带一个电荷,而一个镁离子可以携带两个电荷。与锂离子相比,电池的容量翻了一番。

        英国剑桥大学、丹麦和以色列的知名理工科院校、德国和西班牙的研究机构共同发起了一个名为“E-Magic”的镁电池研究项目。他们得到了欧盟的资金支持,目标是研发能量密度超过每升1000瓦时、相当于锂电池2倍的镁电池。

        据研究人员介绍,目前研制成功的镁电池已经可以反复充放电500次以上。未来,研究人员将着重解决电解液的改性和加强电极材料的研究。虽然目前镁电池的性能与锂电池相比还处在望尘莫及的水平,但其潜力值得一搏。

        在美国,休斯敦大学和北美丰田研究院成功研发出一种新型镁电池。虽然眼下连续充放电只有200余次,但研究团队对此抱有很高期待,认为他们已经为更安全、性能更高的镁电池找到了研究方向:电池的正极使用有机化合物,离子运动的电解质中加入弱配位的硼团簇基。

        镁离子电池具有资源丰富、能量密度高、安全性好等一系列优势,正在推动成为新一代储能产品。我国镁资源十分丰富,占世界矿产资源的70%以上,镁电池的应用可能带来电池工业的一场“颠覆性革命”。

        海水电池

        在自然环境下,没有哪一种环境比海洋环境,也就是海水,可以作为更好的电解质材料了。含有3.5%左右NaCl的海水盐溶液,其电导性是满足电池电解质的基本要求的。那么,从优势上来说,海水电池几乎可以有着取之不竭的电解质材料;反过来,这也成为一种限制条件,即海水电池更多只能使用在海洋环境当中使用。

        比如,小功率金属腐蚀类海水电池,可以为小型海洋探测装置提供电力支持。而大功率的动力海水电池,可以为水下武器装备(比如鱼雷)提供动力。这类海水电池本身是作为发电设备使用,而能够离开海洋环境,兼具储能和发电作用的海水电池显然更有广阔商业价值。

        美国陆军研究实验室的一个小组多年来一直在研究含有盐水电解质的电池,并逐渐将它们的电压提高到可以为家用电器供电的水平。

        2019年,IBM介绍,它们从海水中萃取了三种新材料,用以替代成本极高,以及会造成环境污染的重金属钴、锰和镍。且测试结果显示,这种电池的能效比锂电池更高,5分钟即可充电至80%。IBM已经和奔驰的研发部门、日本电池电解质供应商中央玻璃,以及电池制造商Sidus等公司展开了合作,旨在推动该电池的商业发展进程。

        玻璃电池

        葡萄牙波尔图大学的玛丽亚·海伦娜·布拉加(Maria Helena Braga)一直在与获得诺奖的锂离子电池发明者约翰·古德伊纳夫(John Goodenough)一起研究新型玻璃电池。玻璃电池的关键就是使用固体玻璃电解质,而不是锂电池常用的液态电解质。通过向玻璃中注入钠或锂,使其在电池内形成电极。

        玻璃电池所需的每一种材料都很容易找到。布拉加说:“这是最环保的电池。”在她的办公室,玻璃电池已经为LED灯供电五年了。

        固体的电解质解决了困扰锂离子电池的锂枝晶生长问题,降低了电路板短路和易燃的风险。此外,因为电解质中碱性离子传输的活化能很小,所以,由便携式可充电的玻璃电池提供动力的电动汽车,在零下20℃到60℃之间,也毫无压力,解决了现如今锂电池低温失常的问题。

        玻璃电池研究很有前景,但这项新技术仍需几年的时间,才能被引入商业市场。

        燃料电池

        燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池的洁净、高效、无污染特点越来越受关注,燃料电池技术也是我国能源发展战略的一个重点领域,高离子电导率的电解质开发,是解决目前燃料电池应用的关键。

        中国地质大学(武汉)燃料电池创新研究团队,一直致力于低温、高性能燃料电池研究,聚焦高质子电导率电解质的开发,历经多年探索,经过反复试验论证,通过半导体异质界面电子态特性,把质子局域于异质界面,设计和构造具有低迁移势垒的质子通道。

        液流电池

        液流电池通过不同电解液离子相互转化实现电能的储存和释放。与传统二次电池相比,其电极反应过程无相变发生,可以进行深度充放电,能耐受大电流充放。与其他电化学储能技术相比,液流电池最突出特点就是循环寿命特别长。

        英国格拉斯哥大学的化学家勒罗伊·克罗宁等人报道了一种多金属氧酸盐液流电池,其储电量是同体积钒电池的40倍。但目前的缺点是这些电解质粘性过高,因此对于泵的输送要求极高。

        来源:中科联化研究院

        本期编辑:陈楠,小竺

        
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