年終盤點(diǎn) 2017電池界的突破性技術(shù)匯總
大到自動(dòng)駕駛汽車和電動(dòng)平衡車,小到筆記本和智能手機(jī),電池在各種智能設(shè)備中無處不在,它們已然成為了現(xiàn)代世界不可或缺的一部分,因此對于這個(gè)電池市場,自然是有少不了的開發(fā)者,他們總是在設(shè)想著如何創(chuàng)造
畢竟安全第一,我們就先從安全因素說起,最近這段時(shí)間因?yàn)槿荊alaxy Note7爆炸的新聞,鋰電池的安全問題受到了用戶們的廣泛關(guān)注,不過相對于其他,在世界各地都運(yùn)用廣泛的鋰電池其實(shí)在安全方面的事故率總的說還是比較低的,但總會(huì)有各種意外情況的發(fā)生,這也證明了它們并不能帶來100%絕對的安全保障。也隨著這些事故的發(fā)生,現(xiàn)代的電池已經(jīng)開始在芯片上安裝電壓追蹤,溫度追蹤等功能,這意味著如果你在使用iPhone進(jìn)行充電的時(shí)候,如果溫度過高,那么手機(jī)上的警告系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng),以防止進(jìn)一步的隱患。不過研發(fā)人員們?nèi)匀辉趯ふ乙环N能夠讓電池永遠(yuǎn)保持冷卻的方法,要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),其中一種方法就是不再使用目前的可燃性電解質(zhì),也就是電池中那些攜帶電離子的液體,用一些不太易燃的物質(zhì)取而代之。
早在2015年,馬里蘭大學(xué)和美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們就提出了一種鹽水電解質(zhì)配方方案,小到起搏器大到大規(guī)模電網(wǎng),都能對電池的安全問題提供很好的保障,不過雖然這項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)方式能夠一定程度的減少電池起火隱患,不過它目前只能適用于最大規(guī)模3伏特的電壓,因此還無法大規(guī)模應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)也一直研發(fā)緩慢,后來研發(fā)人員們又開發(fā)了一種新的凝膠聚合物涂層來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),這種涂層可以應(yīng)用于電池的陽極,更好地阻止水從表面的產(chǎn)生,研發(fā)小組現(xiàn)在也專注于增加電池的完整性能周期,從100到500或更多使用周期,以使其具有競爭力,而直到在今年秋天,研發(fā)人員們才總算將電壓最大值提升到了4伏特,因此可以用于比如筆記本電腦等的常規(guī)應(yīng)用。
另外一種避免火災(zāi)危險(xiǎn)的方式就是將阻燃劑集成到電池中,當(dāng)電池發(fā)熱時(shí),阻燃劑會(huì)自動(dòng)釋放,就像內(nèi)置了一個(gè)滅火器,這個(gè)方法這是許多研發(fā)人員一直在考慮的額問題,它們希望使用某種阻燃材料來制造隔膜分離器,不過這種方法在實(shí)驗(yàn)起來經(jīng)常會(huì)損害電池的完整性能,因此目前也并不可靠。在今年一月份,斯坦福大學(xué)的科學(xué)家又將電池技術(shù)推向了新的一步,他們的設(shè)計(jì)包采用了磷酸三苯酯TPP為原料的阻燃劑,將其放置于超細(xì)纖維殼的聚合物之中,當(dāng)電池中的水銀遇到160攝氏度的高溫時(shí),它們會(huì)開始融化,在升溫開始的早期階段就釋放電解液進(jìn)而降低電池的燃燒可能性。研發(fā)人員也用硬幣電池對該設(shè)計(jì)方式進(jìn)行了測試,他們發(fā)現(xiàn),TPP的確能夠在燃燒發(fā)生時(shí)有效迅速的熄滅火焰,現(xiàn)在研發(fā)人員也開始將測試轉(zhuǎn)移到了更大的機(jī)械壓力上,以檢驗(yàn)其抗壓能力。
而除了在安全方面,2017年也出現(xiàn)了許多關(guān)于提供電池充電速度的新技術(shù)誕生,如果能夠讓你的車充電6分鐘就可以續(xù)航320公里,你會(huì)更愿意購買一輛電動(dòng)車嗎?相信很多人都會(huì)因此改變主意,然而充電速度提升帶來的改變遠(yuǎn)不僅僅是在電動(dòng)汽車領(lǐng)域內(nèi),在各種智能設(shè)備中都可以得到體現(xiàn)。今年十月,日本東芝公司宣布將推出其下一代的超級快充鋰電池SCiB0,這種新型的陽極材料被稱為鈦鈮氧化物,它能更有效地儲(chǔ)存鋰離子,因此能量密度增加了一倍。東芝計(jì)劃在2019將電池投入實(shí)際應(yīng)用,并表示如果將其置入電動(dòng)汽車,它將在六分鐘充電時(shí)間里,它能夠提供大約三倍于當(dāng)前電池的電流。然而東芝也并不是首家在快速充電技術(shù)領(lǐng)域中掀起波瀾的電子巨頭,今年11月,三星三星高級技術(shù)研究院的研究人員報(bào)道推出了他們所說的石墨球技術(shù)。通過一種類似于爆米花的神奇材料作為陽極,在鋰離子電池中,為陰極提供保護(hù)層,通過這項(xiàng)技術(shù),該研發(fā)小組稱已經(jīng)能夠控制電池內(nèi)發(fā)生有害的副反應(yīng),創(chuàng)造更多的電流傳輸通道。研發(fā)人員還表示,如果將這些石墨球加工成為一個(gè)全尺寸的鋰電池,他們就可以將智能手機(jī)的充電時(shí)間從一小時(shí)減少到12分鐘,更重要的是,它們還可以提高45%的電池容量,并保持穩(wěn)定的工作溫度,這涉及到電動(dòng)汽車領(lǐng)域的時(shí)候無疑是個(gè)非常實(shí)用的屬性。
目前智能手機(jī)成為了現(xiàn)代社會(huì)中必備的設(shè)備,然而在電池容量方面卻往往不令人滿意,許多用戶都幾乎是一天一充電,有的甚至還是一天兩充,如果能夠大量的提升電池的容量,這相信必將會(huì)讓眾多手機(jī)用戶們心中為之振奮,也正是如此,如何最大化的擴(kuò)展電池的容量,這也是眾多科學(xué)家們研發(fā)的重點(diǎn)。
萊斯大學(xué)的研究人員因此將更多的精力瞄準(zhǔn)了一種稱為樹突的充電過程中的副產(chǎn)品中,這些微小的鋰?yán)w維在電池的陽極形成,像皮疹一樣的擴(kuò)散,最終很有可能會(huì)阻礙電池性能,甚至造成短路。研究小組們因此建造了一個(gè)電池原型,它使用一種石墨薄片將其生長在金屬與碳納米管結(jié)合的陽極上,這種三維碳納米管由于其密度低、表面積大,在充放電循環(huán)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的空間,使顆粒在進(jìn)出過程中打滑,完全阻止了樹突的生長,因此大大提升了電池的容量。
除此之外,石墨烯技術(shù)也是2017年來最有前途的能源技術(shù)之一,其導(dǎo)電性能極佳,引發(fā)了許多科學(xué)家的研究熱潮,而其中一些研究人員則想到了一種方法,就像石墨片上的碳原子在海洋中隨著環(huán)境溫度的變化起伏波動(dòng),他們利用所謂的石墨烯漣漪產(chǎn)生微小的能量,通過將石墨烯片懸浮在兩個(gè)堆疊的電極之間,當(dāng)原子團(tuán)上升并接觸上電極時(shí),該組能夠產(chǎn)生正電荷,然后當(dāng)它們落下并接觸下電極時(shí)產(chǎn)生交流電,然后使用一種叫做振動(dòng)能量采集器的裝置,該研發(fā)小組還能夠利用足夠強(qiáng)的交流電實(shí)現(xiàn)給手表供電。從理論上說,這項(xiàng)技術(shù)從不需要充電,也不會(huì)損耗,因此這也大大提高了石墨烯作為無限能量解決方案的前景,不過把它植入手表和其他小型電子設(shè)備,如心臟起搏器和助聽器,目前仍然是一個(gè)挑戰(zhàn),但研究人員正在繼續(xù)他們的實(shí)驗(yàn),爭取能夠早日進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。然而在大型電容量電池的實(shí)際應(yīng)用上,南澳大利亞啟用了世界最大的鋰離子電池,這塊電池由特斯拉公司耗時(shí)100天安裝完成,其旨在解決一些國家最近的能源危機(jī),能夠?yàn)槌^3000家住戶提供電力。
最后,在環(huán)境保護(hù)方面,電池行業(yè)也取得了非常杰出的進(jìn)展,日本東北大學(xué)和大阪大學(xué)的研究人員利用電子制造業(yè)的副產(chǎn)品——從大塊的硅片中切割出來的硅木屑,通過粉碎這其為多孔納米片和用碳將其涂覆,該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新的電池陽極種類。由此產(chǎn)生的鋰離子電池不僅作為再生材料,并可以達(dá)到一個(gè)恒定的電池容量,約為1200毫安時(shí)/克(每克毫安小時(shí))使用周期超過800次,該研發(fā)小組還聲稱相比傳統(tǒng)的石墨陽極,這幾乎是它們的3.3倍。另外一方面,硅作為電池負(fù)極的能源比一個(gè)典型的石墨陽極電位存儲(chǔ)高達(dá)10倍以上,通過這種方式,有研發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠生產(chǎn)一個(gè)顯示容量約1420 mAh/g(每克毫安小時(shí))的紐扣電池,相比典型的350 mAh/g容量的石墨陽極電池,其有明顯的改善,該研發(fā)小組也因此已經(jīng)申請了環(huán)保、低成本技術(shù)的專利,除了石墨烯和硅,有悉尼大學(xué)的科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了一種鋅材料的空氣電池,它能夠通過在電池周圍使用空氣來驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng),也可以在鋅中加入更多的鋅來增加其能量密度,不過,這種鋅電池也有一定的弊端,因?yàn)樗枰嘿F的貴金屬作為催化劑,對于節(jié)省成本來說并不現(xiàn)實(shí)。因此悉尼大學(xué)的研究小組又想到希望利用常見元素,利用鐵,鈷和鎳,不過實(shí)驗(yàn)證明,還是鋅空氣電池更容易充電,在超過60次充電放電和120的充電周期測試中,它僅失去了不到10%的功效。
說到最后,更好的電池性能將會(huì)讓智能手機(jī)保持更持久的使用時(shí)間,讓電動(dòng)汽車得到更長的續(xù)航時(shí)間,讓相機(jī)拍攝更多照片和錄像,讓無線耳機(jī)能夠釋放更長時(shí)間的音樂,讓電動(dòng)自行車帶你去更遠(yuǎn)的地方,因此其未來的發(fā)展前景是非常巨大的。
2017年是電池發(fā)展史上至關(guān)重要的一年,隨著各種新能源,新材料的涌現(xiàn),我們發(fā)現(xiàn)了提高電池性能的更多樣的可能性,但相信事情并不會(huì)因此而怠惰下來,相反,或許2018年還將在電池這領(lǐng)域有更大的技術(shù)突破,或許三星手機(jī)將會(huì)首次搭載上使用石墨球的電池,或許未來你乘坐的電動(dòng)汽車將會(huì)不再需要插電管,總之,一切皆有可能,讓我們拭目以待。
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