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讓電池的電量提高一倍的新技術(shù)

手機廠商們?yōu)榱吮WC手機的輕薄質(zhì)感,同樣也要做出一個抉擇:要么犧牲待機時間,壓縮電池的容量,要么減少元器件個數(shù),選用更輕薄小巧的元器件,這在很大程度上左右著手機行業(yè)目前的工業(yè)設(shè)計。現(xiàn)在,來自MIT(麻省理工大學(xué))能源實驗室的科學(xué)家們打算改變這一現(xiàn)狀。



據(jù)MIT News近日報道,一種新型“鋰金屬”技術(shù)可以在保持電池體積不便的情況下,將鋰離子電池原有的離子數(shù)量提高一倍,進而將電量也提高一倍,或者也可以選擇在電量不變的情況下將電池的體積減小一倍,無論上述的哪種做法,都將在很大程度上顛覆現(xiàn)有的電池工業(yè)領(lǐng)域。


這項技術(shù)來自MIT能源實驗室旗下的SolidEnergy Systems公司,該公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官胡啟朝(Qichao Hu)在接受采訪時表示:“這是電池行業(yè)的一個豐碑。”


技術(shù)原理


在典型的鋰離子電池中,一般是使用鋰金屬鋰合金的氧化物作為正極材料,石墨為負極材料,與非水電解質(zhì)共同產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。其可選的正極材料很多,主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。而由于石墨本身良好的導(dǎo)電性和本身化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定,其不會與電解質(zhì)溶液發(fā)生額外的化學(xué)反應(yīng),因此被廣泛采用為負極材料。在電池工作時,通過正負電極上互補的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電子的定向移動,從而為手機等設(shè)備供電。


然而,通常作為最優(yōu)負極材料的石墨也有其局限性。石墨雖然能導(dǎo)電,但畢竟不是金屬,因此其內(nèi)部有限的離子數(shù)就成了最大劣勢。科學(xué)家們一直都希望用鋰金屬來取代石墨,因為它可以容納更多的離子。


最早于1996年開始出現(xiàn)的可充電鋰金屬電池就是基于這一思路研發(fā)的。在那時的鋰金屬電池中,一般使用二氧化錳為正極材料,金屬鋰或其合金為負極材料,同樣使用非水電解質(zhì)溶液參與反應(yīng)。但是由于鋰等金屬的化學(xué)性質(zhì)沒有石墨穩(wěn)定,它們會與電解質(zhì)產(chǎn)生額外的化學(xué)反應(yīng),從而產(chǎn)生各種類型的混合物污染電解質(zhì),因此大大減少了充電壽命,使得鋰金屬電池幾乎成為不可反復(fù)使用的消耗品。另外,這種反應(yīng)同時會產(chǎn)生大量的熱,有可能點燃電解質(zhì)并產(chǎn)生爆炸。加上鋰金屬電池超高的技術(shù)要求,因此一直未能普及開來,目前全球只有少數(shù)幾個國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。


但是SolidEnergy Systems公司的這款新型鋰金屬電池攻克了以上難題,他們開發(fā)了一種新的固液混合解決方案。為了防止與傳統(tǒng)的電解質(zhì)溶液反應(yīng),他們在鋰金屬表面包裹了一層薄薄的固體導(dǎo)電物質(zhì),然后又對傳統(tǒng)電解質(zhì)進行了化學(xué)改造,在保證導(dǎo)電的前提下降低了其活躍性,并重新設(shè)計了電池結(jié)構(gòu),改善了正負極之間的隔離層材質(zhì),使得鋰金屬在保證離子攜帶數(shù)量的同時可以不與電解質(zhì)產(chǎn)生額外的化學(xué)反應(yīng)。在確保可以反復(fù)充電和安全性的同時,電池電量也得到了成倍提高。


更關(guān)鍵的是,這種新型鋰金屬電池在現(xiàn)有的鋰離子電池工廠就成生產(chǎn),這使得該技術(shù)擁有非常廣泛的應(yīng)用前景。



未來應(yīng)用


目前,該公司已經(jīng)對外公布了相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)劃。在2017年,他們將把這種新型電池提供給智能手機和可穿戴廠商,在2018年,他們會提供新電池給電動汽車制造商。不過,最早于今年11月,他們打算將該技術(shù)首先提供給一些無人機制廠商。


胡啟朝表示:“目前有許多公司已經(jīng)使用無人機和熱氣球為眾多的發(fā)展中國家?guī)チ嗣赓M的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù),以及突發(fā)性災(zāi)難事故的救助服務(wù)。我認為這是一件非常重要也非常令人驕傲的事業(yè),因此我們打算在今年11月首先幫助這些企業(yè)改善電池的續(xù)航問題。”


將這一技術(shù)應(yīng)用在電動汽車領(lǐng)域也著實令人充滿了期待。胡啟朝表示:“目前電動汽車默認的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是每次充電后至少行駛200英里(約合320多公里)。我們的技術(shù)可以減少一半的電池尺寸和重量,同時保持相同的行駛里程,因此在保證電池體積不變的情況下,我們的技術(shù)可以讓未來的電動汽車在一次充電之后至少行駛400英里。”


在技術(shù)日新月異的今天,我們幾乎每天都能感受到這世界一些細微的變化,SolidEnergy Systems公司的這款新電池就是其中之一。憑借他們的這項技術(shù),手機、可穿戴設(shè)備、電動汽車和無人機等所有用到充電電池的領(lǐng)域,未來都有可能產(chǎn)生更大的變革,我們對此充滿期待。


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