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充電一次續航5天的鋰硫電池來了 電池革命到底何時開始?

近日,據CNN報道,澳大利亞莫納什大學的相關研究團隊開發出了一種新的鋰硫電池,能夠實現讓手機充電一次續航五天,還能夠讓電動汽車行駛1000公里。當然,該團隊表示,電池應用於實際生活中可能還需要一段時間。

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鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負極的鋰電池,在2013年以前一直處於實驗階段。利用硫元素作為正極材料,可以使得電池具備更高的容量和能量密度,容量可達1675mAh/g,能量密度可達2600Wh/kg,相比目前廣泛應用的鈷酸鋰電池小於150mAh/g的容量,提升了十倍以上。

顯然,從報道中來看,鋰硫電池如果能夠被大規模使用,那麼將解決目前的電池使用困境,並且還能極大地提升使用者的使用體驗。但夢想是美好的,現實是骨感的,這些資料也僅是實驗室中的測試結果,想要實際應用,問題還非常多,更不要提實際的電池是否能夠做出來。

需要值得注意的是,鋰硫電池的兩種元素都屬於不成熟的充放電活性物質。金屬鋰作為負極並非新的發現,但金屬鋰作為負極會產生枝晶的問題,迴圈效能不好,安全也有隱患。

而對於硫元素正極而言,由於導電性差,反應動力學緩慢而複雜,硫電極的高容量,也只能在實驗室當中使用體積較小,電極塗層非常薄,電解液及對電極都過量的紐扣電池中才能實現。

對此,研究出鋰硫電池的團隊也表示,鋰硫電池的發展的一個大挑戰便是由於硫電極的儲電容量太大,以至於無法承受應力而破裂。電池充放電時往往隨著體積變形,多次膨脹收縮後,應力累計將破壞電極結構,這也會讓電極負責傳導電子的碳基體、粘合碳與硫的聚合物粘著劑受損,造成電池效能下降。這也是為何即便在實驗室當中,也只能採用紐扣電池才能製造出鋰硫電池。

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但量產的實體電池與實驗用的紐扣電池是有非常大的區別的,實驗室中能夠測出電池很高的容量,是建立在用於充放電的活性物質含量佔比很低的前提下。在實驗室環境下,可以創造充放電材料的最理想測試環境,因此測試的結果也是鋰硫電池的理論極限值。

而在實體電池中,不僅達不到實驗室中的理論值,甚至有可能想去甚遠。在實際生產中,為了突出材料自身的重量,通常會加許多無法充放電的輔助用品,同時為了追求能量密度,材料自身佔比必須大幅提升,正負極也需要合理匹配,這也要求負極、電解液、導電炭黑的含量大幅降低,而正極厚度卻不得不增加。

顯然,如果要這麼做的話,不說最終電池的效果如何,在成本上便不佔優勢。許多新型電池技術在實驗室中很普遍,研究沒有問題,但實際量產上便是一道難關。不論是鋰硫電池、石墨烯或者其他新材料都是如此。

新的技術想要取代舊體系,一個很關鍵的點便是新技術比舊的技術體系要更便宜,並且更適合量產。如果成本更好,首先便需要計算其經濟價值,如果價格合適,再進行研發、投產等工作。

在電池行業,想要整體的提升一塊電池的效能其實是非常難的,這裡包括能量密度、電池容量、安全性以及充放電的功率等。通常提升一方面時(如能量密度),便會導致另一方面的削弱(如安全性),因此電池的發展非常緩慢。

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當然,行業對於電池效能提升的需求是非常迫切的,畢竟高效能的電池能夠為我們的裝置帶來更為強勁的效能,也能進一步推動整個產業的發展。因此美國一段時間,都能發現有許多關於新型電池的報道,但真正能夠取代目前鋰電池的技術,還未出現。

回到最開始的問題,電池的革命將會在什麼時候開始。鋰電池的第一次實驗是在1912年,但直到1970年左右,鋰電池才被正式投入商用,1980年才得以大規模推廣,直到1997年,索尼第一次正式釋出手機上的鋰離子聚合物電池。

以鋰硫電池為例,直到21世紀初,才開始重新被科學家們所重視。可想而知,新型電池的革命,還需要相當長的一段時間。