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小電池和它的大影響:如何走出續航、安全等困境?

來源:新浪科技 瀏覽次數:69 發布日期:2019-05-29

在日常生活中,電池無處不在。現在每個人都離不開智能手機,但經常會對電池的續航能力發出抱怨。除了手機和電腦,還有很多常用的電動工具,年輕人和孩子們的玩具或者機器人,乃至重要的電動汽車,核心都需要用到電池。

除了這些大家耳熟能詳的物品,其它方方面面也都需要用電池。比如,有一些病人安裝心臟起搏器,心臟起搏器電池壽命就和病人的生活質量有很大關系,因為電池用完了,就需要再動一次手術專門來替換電池;如果想用風能、太陽能或者其他可再生能源,就需要電網有很好的儲能能力;當然還有太空衛星,這些都需要電池技術。

圖2

無處不在的電池

青蛙:電池發明的大功臣

電池技術這么重要,它是怎么發明出來的呢?

1786年,在意大利博洛尼亞大學有一個解剖學家叫伽伐尼,他在做青蛙解剖實驗的時候發現,金屬的解剖刀觸碰到青蛙肌肉的時候,青蛙會跳,腿會有痙攣的現象。這個發現讓人非常驚訝,他認為這里有生物電。

在公元十八世紀時,人們對電的認識主要來自摩擦起電和自然界的雷電,所以之前跟電有關的現象,皮毛摩擦、萊頓瓶等都是靜電。在青蛙腿上發現跟摩擦生電一樣的現象,在當時的確是令人驚奇的。1791年這個成果發表以后,引起人們很大重視。

比如,它引起了意大利另外一位大學教授伏打的注意。伏打重復并且檢驗伽伐尼的實驗,在重復很多次之后,他想:青蛙腿痙攣的現象,會不會跟生物沒有關系?蛙腿或許只是一個導體?

為了證明這個觀點,他把跟生物有關的因素都除去,用兩種不同的金屬來產生電流。的確,最終他用像活潑的鋅和不活潑的銀或銅這樣不同的金屬,浸在有鹽水的紙板里,產生了持續的電流。這就是人類歷史上第一個電池——伏打電堆。

圖3

伏打親手制作的“伏打電堆”,現藏于意大利伏打博物館,圖片來源:維基百科

1800年伏打的這個研究使人們對電的認識從靜電進入到動電。當時征服了意大利的拿破侖認識到這個研究工作很重要,授予了伏打爵士身份。直至現在我們物理學中電壓的單位“伏特”也是以他的名字命名。

當然,這個工作的重要性不僅僅在于得了獎,它為電磁學的出現和發展奠定了基礎。法拉第的電磁感應實驗是在1831年做的,如果當初沒有伏打電堆,法拉第就沒有辦法做電磁感應實驗,人類就沒有辦法建立電磁學知識體系。

圖4

那么伽伐尼是不是錯了?實際上伽伐尼非常堅持自己的看法,他認為自己的實驗是沒有問題的,并且做了很長時間實驗來驗證。伏打說電流來自兩種不同的金屬,伽伐尼干脆去做一個實驗,不用任何金屬,他用青蛙的神經去碰青蛙腿的肌肉,發現青蛙腿還是會痙攣,這說明即使沒有金屬,沒有外界的伏打電堆,生物也會對電信號有反應,還是存在生物電。

所以伽伐尼也是對的。這個現象在經過多年深入研究后,最終產生了現代的電生理學。我們到醫院去做心電圖、腦電圖,都跟電生理學有關,無論美國還是中國,都在研究神經科學、腦科學,這些信號傳輸都是基于人體里離子產生的電流。

可以想象,在十八世紀到十九世紀轉折的階段,伽伐尼和伏打的學術爭論,對于人類知識體系的構建非常有意義。

根據伏打的結論,只要有兩種不同的金屬,有傳導離子的媒介,很多東西都可以做電池,浸了鹽水的紙也可以用來做電池。一個比較有趣的事情,我們用水果也可以做電池,如下圖。

圖5

水果電池

電池是如何進行充放電的?

十九世紀以來,很重要的一件事是鉛酸電池的發展,鉛酸電池是1859年發明的,電動自行車等很多場景用的就是鉛酸電池。1990年商業化的鋰離子電池也是一個重要的里程碑。現在已經有一個龐大的電池家族,除了剛才展示的化學電池,還有太陽能電池、溫差電池、核電池、燃料電池、生物電池,其中像太陽能電池、溫差電池屬于能量轉換裝置,剛才講的化學電池如果是可充電電池,都是儲存式電池。

電池是怎么工作的?我們通過鋰離子電池了解一下。普遍的搖椅式的鋰離子電池,它的工作原理可以通過兩個圖來做一些粗淺了解。

圖6圖7

“搖椅式”鋰離子電池的工作原理

左圖右上角顯示電池的狀態是空的,說明它是全放的狀態,也就是放電完了。這個視頻要演示在充電的過程中間,電池內部發生了什么。大家注意幾個點,紅的顆粒代表鋰離子,藍的小顆粒代表這里面產生的電子。可以看到電子在電池的外面,從右邊走到左邊,鋰離子從電池的內部從右邊走到左邊。到左邊的過程,實際上就是充電的過程。

對應的,右圖顯示的是放電的過程,鋰離子在電池內部運動,從左邊走到右邊,電子在外部的電路運動,也是從左邊走到右邊。這就是它充放電過程的機制。

這樣一個來回移動的過程,為什么可以儲存能量,這個能量怎么來的?

圖8

電池儲存能量的機制

來看一下能量空間,用一個水池做類比。左邊是負極,右邊是正極,綠色的像水一樣的就是鋰離子或者電子,初始狀態是充滿能量的。

剛開始是放電的過程,這些能量比較高的電子或鋰離子把它的能量放掉,兩個電極之間逐漸拉平,能量逐漸拉平,這是一個自發的過程。

充電的時候,則通過外界的電把能量儲存進去,鋰離子和電子的勢能增加,就把能量充進去。這樣一個充放電的過程,電子和離子在不同的位置,但是它的能量有升高和降低,這就是整個鋰離子電池儲存能量的工作原理。

七道工序鑄就鋰離子電池

知道這個原理之后,再來看看這么多鋰離子電池,它是怎么被生產出來的?

鋰離子電池生產的第一道工序是混漿,把活性電極材料、導電添加劑、黏合劑都混在一起,這里有一個攪拌機,把它攪拌成均勻分散的漿料。第二步是涂布,把黑乎乎的漿料涂到極片的集流體上。第三步是裁剪,把涂好的極片裁剪成所需要的形狀。

圖9

這個是極耳,極片的耳朵,是把電引出來的地方,極耳是很多時候電池出問題的原因,大家知道前些年三星手機電池爆炸,經過詳細調查以后,發現問題就出在極耳有短路的可能性,最終導致電池爆炸。

下一步就是這些電池要疊片,剛才講到電壓不夠時我就把它疊的多一點,實際上在電池里面也是一樣的,在內部也需要把更多的電能儲存進去,所以要疊很多的片。第五步把疊好的片子放到一個外包的殼里面,裝成一個袋子。第六步注液,就是把電解液裝到這個袋子里面去,這個電解液是離子傳導的媒介,就象剛才水果電池里的媒介檸檬一樣。最后把電池封裝起來,拿去做測試或者使用。

可以看到,在一個工廠里面,電池的生產步驟牽涉到很多,從材料、設備、工藝到自動化控制。

電池續航、安全等困境:前沿研究能解決嗎?

當前電池研究在做什么?大家已經看到,可以通過自動化工廠生產很多電池,那么現在的電池還有些什么問題,為什么還要做研究?

第一個研究方向是提高電池能量密度。大家如果自己開電動汽車,經常碰到里程焦慮,眼看電池顯示快沒電了,但是還沒有到下一個充電站,就會有里程焦慮。

看一個典型的例子,一個五座的小汽車,車重大約900公斤,如果續航里程需要達到500公里,估算需要400多公斤的電池,也就是說電池會占車重的二分之一到三分之一,對整個交通工具來說,它的能量效率是不高的。

所以希望電池的能量密度更高,單位體積的材料能夠容納的鋰離子更多,正負極之間的電壓越高,電池的能量密度就越高。車身的重量越小,電動車的續航越長,所以這是一個非常重要的方向。

第二個研究方向是提高電池的安全性。這張照片是特斯拉的汽車在行駛的過程中,碰到了地上一個尖銳的突起,造成了嚴重的安全事故。

圖10

大家知道特斯拉的電池是做在底盤上的,雖然做了安全性能防護,但是在這個事故當中,它的電池被尖銳的突起扎穿,相當于造成了電池短路,最終使電池起火,所以電池的安全性很重要。

圖11

這是實驗室做的一個安全性測試,用兩個相同能量密度(205Wh/kg)的電池進行針刺實驗,一個是沒有經過處理的電池,一個是經過材料改進以后的電池,沒有處理的電池發生了嚴重的燃爆,這個電池是10Ah,一輛普通的乘用車大概有400-500個這樣的電池。

大家可以想像,如果發生短路或者撞擊到尖銳物體等極端情況,安全性不好的電池實際上是很危險的,這也是為什么要不斷提升它的能量密度,但同時也提升它的安全性的原因,這是電池的一個重要研究方向。

電池技術,可以使人類生活更加綠色

未來還需要研發什么樣的電池?需要把電池工業做的更加綠色、更加環保、更加低成本。剛才演示的這些電池,都需要用到鋰元素、鈷元素、鎳元素,在元素周期表上可以看到金屬鋰分布不高,鈷和鎳都屬于比較稀有的元素,它們的儲量很有限。

像金屬鈷,在整個地球上主要出產于剛果金,這是一個政治上不太穩定的國家,所以金屬的來源有問題。

因此,電池領域都在開發含有其他元素,像鈉、鎂、鈣、鋁這些儲藏分布更豐富的材料所做的電池,甚至利用有機材料、綠色生物質材料來做電池。

圖12

電池研發其實有很多高大上的研究工具。中國的散裂中子源在廣東東莞,中國是繼美國、日本、英國以后第四個有散裂中子源的國家,有意思的是散裂中子源上的第一個實驗數據和第一篇發表的論文,都是跟鋰電池有關的。

還有上海光源,包括同步輻射光源和自由電子激光器,以及歐洲的同步輻射光源,蘇州的真空互聯大裝置上有一個鋰電的研究平臺,還有日本的超級光源spring-8。

大家可以看到這些電池研究,未來也會用到有趣的、最先進的工具。

圖13

電能無論是使用還是傳輸,都需要一個比較穩定的負荷負載。但風能和太陽能是間歇性的,有時候有云飄過來,發電的量就少,所以怎么使這些電網更加穩定?就需要有強大的電池進行儲能的削峰填谷(注:削峰填谷是調整用電負荷的一種措施,使發電、用電趨于平衡)。所以未來需要運用儲能的裝置,電動汽車也可以作為分布式的儲能裝置,整合到整個智能電網里面。

除了可再生能源,未來的人類社會也會更加智能,現在大家都講5G物聯網的應用,講人工智能和超級計算等。實際上很多移動的裝置,家庭智能家居,在路上車子互相之間會有信息的溝通和交流,未來整個地球都會互聯在一起。不僅是能源的互聯,也是信息的互聯,所有在互聯的物體、器件,都需要電池,沒有電池就不能工作,電池可以使未來更加綠色、更加智能、更加移動。

注:本文整理于作者在墨子沙龍上演講,有刪減。

撰文| 陳立桅 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員


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