鉅大LARGE | 點擊量:1993次 | 2020年01月10日
金屬空氣電池發(fā)展簡析
近年,作為一種新型電池,以鋰空氣電池為代表的金屬空氣電池(以下,在不引起混亂的前提下,簡稱為空氣電池),越來越多地獲得研發(fā)人員和市場相關者的矚目。
其原因在于:如果這種電池能過研發(fā)成功,將大幅度提高車載電池的性能,使電動車的續(xù)航能力達到或超過現有汽油、柴油發(fā)動機車的水準。
如果空氣電池的研究能夠取得突破,在與內燃機動力車以及燃料電池車的續(xù)航歷程競爭中,目前處于劣勢的電動車將會脫穎而出。而空氣電池將會取代目前主流的鋰離子電池,一舉登上霸主地位。
本文將對目前車載蓄電池的問題,以及空氣電池的發(fā)展作一概述。
1.鋰離子電池的問題
1.1鋰離子電池所帶來的不安
在波音公司新型大型客機Boeing787多次發(fā)生與蓄電池相關的事故后,世界各國對鋰離子電池的安全性更加重視。
經常乘飛機的人可能會發(fā)現:以前在辦理登機手續(xù)和進行安檢時,要求乘客放在托運行李中的電腦、充電寶、游戲機等電器產品,現在被要求放在手提行李中了。
也許沒有多少人能注意到:這些電器產品中有很多都是使用鋰離子電池的。
雖然對此沒有哪家特種公司給出明確的說法,但原因恐怕有以下兩方面:一方面,放在托運行李中可能會因碰撞而發(fā)生燃燒;另一方面,認為鋰離子電池有著火的可能,而將其放在目所能及之處,以便能夠及時對應這種思路恐怕是原因之一。不管是什么原因,鋰離子電池容易起火燃燒已經成為人們的共識。
在信息泛濫的現代社會,小到手機在充電、使用中著火,大到飛機因電池原因而停飛。與鋰離子電池的可靠性相關的資訊源源不斷。
在一定程度上這些信息表明:目前的鋰離子電池技術已經走入了某種技術上的瓶頸,需要人們重新考慮鋰離子電池的定位問題。
1.2鋰離子電池問題的根源
大家知道:和以前在家庭中廣泛使用的鎳鎘、鎳氫電池以及在交通工具中使用的鉛酸電池相比,鋰離子電池具有很多的優(yōu)勢。
最大的優(yōu)勢,就是鋰離子電池的單位能量密度很高。鋰離子電池的標稱電壓(NominalVoltage)為3.6伏特,同時體積小、重量輕,非常適用于對于重量較為敏感的電動車。
與上述優(yōu)點相對的,是鋰離子電池同樣是一種不安定的能量載體。
如果鋰離子電池處于空電狀態(tài)(即電池中電量接近零的狀態(tài))時,電池的正負極分別是鈷酸鋰(LiCoO2)和石墨。這兩種物質相當穩(wěn)定,所以電池一般不容易出現燃燒和爆炸現象。
而當鋰離子電池處于充滿電的狀態(tài)時,其陽極材料成分主要是脫鋰狀態(tài)的鈷酸鋰(Li0.5CoO2),陰極材料成分是嵌鋰碳(LiC6)。鈷酸鋰在高溫下會發(fā)生分解反應釋放氧氣,而嵌鋰碳的化學反應活性基本上與金屬鋰相近。所以如果電池發(fā)生故障,產生高溫并燃燒,那基本上就相當于金屬鋰在富氧環(huán)境中燃燒一樣了!
除鋰離子電池的電極材料本身不安定之外,鋰離子電池所使用的電解液,也是造成電池發(fā)生著火事故的元兇。
目前人類在日常生活中所接觸到的化合物液體,從種類上分只有兩種:一種是無機化合物的水溶液,比如酸、堿、鹽等的溶液;另一種是液體有機物,如苯、烷、乙醇等。由于水的理論分解電壓僅為1.23V,所以以水溶液為電解液體系的蓄電池最高電壓只能達到2.0V左右。因此,在選擇電池的電解液時,為保證鋰離子電池具有足夠高的輸出電壓,在電池中使用的電解液多為分解電壓較高的有機溶液。
但是,很多的有機電解液氣其蒸汽壓較低,當電池升溫到一定程度就會揮發(fā)。如果揮發(fā)出的氣體具有燃燒性質,則很容易起火。
鋰離子電池受陽極和陰極材料的限制,充放電容量有限。所以如欲增加電池容量,必須將復數個電池組合在一起使用。由此而帶來的問題,就是電池整體重量過大、個別電池的性能差異會影響到整個電池組的性能。
所以,不論是從安全性的角度出發(fā),還是為了防止因過度充放電而帶來的鋰離電池的性能劣化,都需要在電池組中設置對每個電池單元進行電壓和溫度狀態(tài)監(jiān)視的機制。同時,考慮到監(jiān)視系統(tǒng)本身也有可能出現故障,還需要有檢測該系統(tǒng)工作狀態(tài)的獨立系統(tǒng)。這樣自然就造成了鋰離子電池高價格狀態(tài)。
另外,從地殼的豐度看,鋰屬于稀有金屬。目前在國際上只有包括我國在內的有限的幾個國家能夠出產。所以對很多國家來說,從資源戰(zhàn)略的角度看,金屬鋰并不是一種理想的物質。
綜上所述,作為目前車載電池主流的鋰離子電池,在經過廣泛地應用后,特別是在與其他動力形式的競爭中,逐漸地顯現出其技術上和原理上的限界。電池行業(yè)必須要有化學體系的重大突破,或者在電池構造方面另辟蹊徑,才能滿足整個社會不斷增長的對大容量電池的需求。在這種狀況下,空氣電池這種具有獨特構造的能量載體再次進入研究人員的視野。
下一篇:三元鋰電池被限 不是打壓是蓄力