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      • 儲能電源的前景和未來

      •  2021/11/12
      •   鋰離子技術是為當今的消費電子產品設計的最佳電源。但現代電池有其局限性,世界各地的實驗室正在開發卓越的解決方案。

          智能手機代表了便攜式電子設計的高峰。這些功能強大的支持蜂窩和互聯網的設備擁有與幾年前臺式 PC 和 Mac 規格相匹配的計算能力和內存容量。例如,Apple iPhone 6S 配備雙核 1.8 GHz 64 位處理器,外加 2 GB RAM 和 128 GB 閃存。

          但是今天的智能手機有一個致命弱點。他們的電池。鋰離子 (Li-ion) 電池一直在努力保持每年大約 7% 的能量密度 (Wh/kg) 提高。

          例如,最初的 iPhone 配備 620 MHz 32 位處理器、128MByte RAM、16GByte Flash 和 5.18Wh 電池,而今天的 iPhone 6S 配備 6.55Wh 電池。與第一款相比,最新款 Apple 智能手機的電子設備在性能上有了巨大的飛躍,而電池能量密度在八年內僅提高了 26% 左右。

          根據蘋果的規格,iPhone 6S 中的鋰離子電池容量為 1715 毫安時,可支持約 11 小時的互聯網瀏覽或高清視頻播放。這是一個令人印象深刻的性能水平,但仍然不足以阻止旅客,例如,在第一眼看到機場終端電源插座時為了充電而潛水充電。

          鋰離子電池技術的巨大飛躍是指日可待,還是該技術只是通向一次充電之間提供數周甚至數月服務的電源旅程中的一個航點?

          開發鋰離子電池

          為當今的便攜式產品提供動力的鋰離子技術的開發用了 40 多年。鋰電池之所以成功,是因為它們兼具高容量和低重量的特點,每公斤的能量比任何其他金屬都要多。

          在充電過程中,鋰離子被激發并從 LiCoO2移動到碳。當電池在使用中時,離子會以另一種方式向后移動,導致釋放的電子沿相反方向繞電路移動,從而為負載供電。(見圖 1。)

          

            然而,鋰離子電池的一個關鍵弱點是它們的脆弱性。每次離子移動時,一些離子會與電極發生反應并永遠嵌入材料中。最終,游離離子的供應耗盡,電池失效。每個充電循環還會導致電極的一些體積膨脹,從而對結構造成壓力并導致微觀損壞,從而降低其“存儲”離子的能力。因此,鋰離子電池只能充電有限的次??數。此外,過度充電會“迫使”如此多的離子進入電極,從而導致材料分解。它'來自德州儀器。

          早期版本的鋰離子電池使用液體電解質來分隔電極,后來使用浸泡在電解凝膠中的多孔隔板。這使得電池具有三明治結構,從而導致當今移動電話常見的薄型設計。進一步的發展導致了使用固體聚合物作為隔膜的鋰聚合物 (Li-Pol) 電池。鋰聚合物電池的一個缺點是,離子通過固體聚合物的速度比液體電解質慢,因此充電需要更長的時間。

          打造更好的電池

          數百萬美元的研究資金繼續用于改進鋰離子電池??茖W家們致力于增強諸如能量密度、自放電率、峰值需求和脈沖性能、充電時間和深度放電耐受性等特性,同時提高設備安全性。

          發展主要針對兩個領域:正極、負極和電解質的替代材料——以期將更多的鋰離子填充到電極中,使離子更容易進出,并簡化離子的通過通過電解液——并克服技術固有的安全挑戰。

          接近商業化的正極材料包括鋰鎳錳鈷氧化物 (LiNixMnyCozO2),其能量密度比 LiCoO2高約 20%,但成本更高,以及鋰鎳鈷鋁氧化物 (LiNixCoyAlzO2),其能量密度比 LiCoO2 高約 35%。實驗負極材料包括鈦酸鋰(Li4Ti5O12)(能量密度低但充電循環次數更高)、硬碳(更大的存儲容量)、錫/鈷(能量密度)和硅/碳或純硅(能量密度)。

          還有一些有趣的舉措可以提高離子的遷移率。一個例子來自伊利諾伊大學芝加哥分校 (UIC),它用三維多孔鎳結構取代了傳統鋰離子電池的薄的、幾乎二維的正極和石墨負極。LiMnO2和鎳錫(NiSn)鍍在結構上,分別形成正極和負極。結果是電極可以容納比傳統設備更多的鋰離子,并且具有更大的移動自由度。該大學聲稱,這種電池比相同容量的設備小 30 倍,充電速度快 1000 倍。

          UIC 還在做一些開創性的工作,用鎂離子(帶 +2 電荷)代替鋰離子(帶 +1 電荷)。結果可能是電池具有比鋰離子電池高得多的能量密度,并且可以承受更多的充電循環。

          研究人員還集中精力采用納米級(10-9m 或 nm)材料來提高鋰離子通過電極和電解質的遷移率。例如,韓國浦項大學的科學家們用蜂窩狀結構組織的南瓜形分子構建了一個原型電池,可用作固體電解質。這些分子有一條細通道(直徑為 75 nm)貫穿其中,這使得鋰離子能夠比在傳統電解質中更自由地擴散。(參見圖 2。)在測試中,多孔電解質的鋰離子電導率約為傳統商業固體電解質的三倍。

          另一個用于改進鋰離子電池的納米材料的例子來自麻省理工學院 (MIT)。該研究所的研究人員 Byoungwoo Kang 和 Gerbrand Ceder 聲稱,通過使用納米球電極,電池的充電速度可以是普通鋰離子電池的 100 倍左右,從而可以在 10 秒內為智能手機充電。50 納米磷酸鐵鋰球極大地提高了離子遷移率,麻省理工學院的研究人員通過在球上涂上一層磷酸鋰薄層來進一步加速這一過程。

          碳納米管可能已經在智能手機電池中發揮作用。大多數正極和負極的確切組成目前屬于商業機密,但碳納米管的商業生產水平表明鋰離子電池已經在利用其特性。碳納米管比塊狀碳具有更大的表面積、更高的導電性和更好的機械穩定性。其他發展包括完全消除碳并用硅或鍺納米線代替,以進一步增加負極的表面積。這再次提高了鋰離子的遷移率,并允許在充電過程中吸收更多,而不會對材料產生體積壓力(實現更多的充電循環)。

          “納米結構”通常會增加表面積與體積的比率,由于電化學活性表面積的增加和離子傳輸長度的減少,這會提高能量密度和功率密度。缺點是電極和電解液之間的副反應增加,導致更高的自放電、更少的充電循環和更短的保質期。

          使用納米材料的原型電池比當今的商業電池具有更高的能量密度。但目前材料價格昂貴,制造過程難以擴展到工業水平。

          下一代鋰電池

          將當前鋰離子電池發展的所有方面結合在一起的一項發展是鋰硫 (Li-S) 電池。該設備利用材料、“三維”電極和納米材料的發展來改進當今的鋰離子產品。目前的發展目標是電動汽車,但希望可以縮小技術,使電池適用于智能手機等便攜式產品。

          負極是鋰的薄條,而正極是與活性硫接觸的氧化鋰 (Li2O2)。對該技術產生如此濃厚興趣的原因是預測的最大能量密度。當代最好的鋰離子電池可產生約 200 Wh/kg 的能量,而該技術的理論極限約為 320 Wh/kg。Li-S 的理論極限約為 500 Wh/kg。這些類型的主要優勢是硫可以“容納”兩個鋰離子,而傳統的嵌入材料為 0.5 到 0.7,從而產生了卓越的能量密度。

          超越電池

          便攜式電源的其他電源包括超級電容器和燃料電池。甲超級電容器是一個高容量電容器橋接電解電容器和可再充電電池,如間的間隙EDLC 5.5V EDLC超級電容器從TDK。超級電容器提供比傳統電容器更高的能量存儲和功率密度,使其非常適合突發或脈沖負載應用,如 LED 閃光燈、功率放大器或某些音頻電路。超級電容器還可以為汲取的電流非常小了很長一段時間的設備,如電源提供實時時鐘(RTC)和看門狗FRAM監控IC從賽普拉斯半導體。

          盡管非常有前途,但超級電容器與電池相比有兩個主要缺點。首先是 2.5 至 2.7V 的電壓范圍(相比之下,鋰離子電池的電壓范圍為 3.5 至 3.7V)。為了獲得更高的電壓,多個超級電容器串聯連接,這通過要求仔細的電壓平衡增加了復雜性。此外,超級電容器的電壓從滿到零線性下降,一旦電壓降至可用閾值以下,就會導致一些存儲的能量保留在設備中。第二個缺點是超級電容器的低能量密度。與鋰離子電池的 200 Wh/kg 相比,即使是最好的超級電容器也難以超過 10 Wh/kg。這意味著一組超級電容器將比同等的鋰離子電池占用更多的空間。

          燃料電池可能代表了使便攜式電源遠離傳統電池的最深奧的嘗試。燃料電池發明于 1838 年,并在阿波羅 13 號危機期間深入人心,長期以來一直被用作將燃料的化學能轉化為電能的方法,被認為是電動汽車的不錯選擇。然而,便攜式燃料電池由于其尺寸目前不適合用于移動電子產品。本文由廣州曼頓科技有限公司旗下的通頓電源網站轉載。如有侵權,請聯系刪除。

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