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锂电池的发展史 “未来电池”的当下思考

TIME : 2020-07-08

导读:锂离子技术已经改变了我们的通讯方式和便携式设备的供电方式,现在正推动着全球交通和能源供应的革命。德克萨斯大学奥斯丁分校的Arumugam Manthiram发表的一篇新论文考察了这项技术的发展,从20世纪70年代的初步发现到今天研究“未来电池”的研究人员的考虑。


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自从1976年科学家展示了第一款可充电储能锂电池以来,这项技术已经证明了它在电子工业中改变世界的潜力。但即使在电动汽车中的应用和固定储能记录大量增长,克服的技术问题和世界各地的科学家们正在努力将新材料和推动电池的性能仍然基于概念说明了科学家几乎半个世纪前。


而回顾这些发展,对于了解未来的研究方向是很有价值的。Arumugam Manthiram在德克萨斯大学奥斯汀分校担任教授已有20年,他也曾与诺贝尔奖得主、科学家约翰·古德诺John Goodenough一起研究锂离子技术。Manthiram在《自然通讯》上发表的一篇评论文章中,深入研究了锂离子技术的历史,并探讨了影响当前新电池概念研究的问题。


Manthiram说:“随着我们大规模部署锂离子电池,成本和可持续性变得至关重要。此外,为了跟上便携式电子设备的发展,并提高电动汽车的行驶范围,人们希望将能量密度提高到现有水平之上。”


20世纪70年代,埃克森美孚公司的M. Stanley Whittingham首次演示了锂金属阳极和硫化钛阴极的可充电电池,这为插入化学理解的最新进展提供了概念证明。这种电池由于低电压和能量密度,以及锂金属阳极上的枝晶生长而受阻——这是一个科学家们至今仍在努力解决的问题。


下一个Manthiram关注的是John Goodenough团队在20世纪80年代的工作,该团队获得了2019年诺贝尔化学奖。这涉及到氧化物阴极的设计,它允许在电池中增加电压。Goodenough的小组还将氧化阴极分为三类(层状、尖晶石和聚阴离子),至今仍是唯一实用的阴极类型,并作为未来发展的基础。


最后,Goodenough的小组在20世纪80年代的进一步工作,由来访研究员Koichi Mizushima领导,首次展示了一种具有碳阳极和锂钴氧化物阴极的储能锂电池。它代表了该技术第一次克服了安全和能量密度问题,并作为一种准备商业化的东西出现。


但随着社会对电池的需求不断增加,这些担忧仍然是锂离子技术研究的核心。


Manthiram表示:“我们需要通过增加阴极和阳极的电荷存储容量,增加阴极的工作电压来增加能量密度,或者理想情况下同时增加电荷存储容量和工作电压。为了实现这些目标,需要开发新的或更好的电极材料和电解质。新的合成和处理方法以及计算机建模可以帮助这些任务。”


Manthiram指出,在短期内,他预计研究重点将放在含镍较多、钴较少或不含的层状氧化物阴极上,并在石墨阳极中添加硅以增加能量密度。


在未来,会有大量的技术最终证明它们的价值。Manthiram说:“锂离子电池将保持其在能源存储方面的领先地位,特别是在运输部门的电气化方面。”


据微锂电小组分析,在未来锂硫电池可以在降低成本的同时进一步提高能量密度。钠离子电池可以增强可持续性。最终,全固态电池可以进一步提高能量密度,提高安全性。

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