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渾身是勁:電池的前世今生與未來

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六種最常見的電池型號。Source: Hohum

作者/chenwei

近日,美國史丹佛大學的戴宏杰研究組在《自然》發表論文,宣布研發出充電極快、壽命超長的鋁離子電池,引起了廣泛關注。比起耳熟能詳的「鋰電池」,人們對鋁離子電池的感覺要陌生得多。為什麼要研發這樣的新電池?這還得從充電電池的發展說起。

初中時,我有一部黃色的隨身聽。我給它準備了3對充電電池輪番上陣,這樣,當周杰倫的聲音突然變得緩慢時,我知道總有電池可以更換。後來,我有了MP3和手機,就漸漸不再聽隨身聽了,需要經常充電的,也從圓柱形的5號電池換成了扁扁的鋰電池。在我看來,世上無法逃避的事情,除了死亡和繳稅,還有給電池充電。

不是每一種電池都叫可充電電池

電池是生活中再常見不過的物品了。它進入人類世界已有200年的歷史。早在1800年,義大利科學家亞歷山卓·伏打(Alessandro Volta)就發明了「伏打電堆」(Voltaic piles)。伏打電堆由很多個單元堆疊而成,每個單元都有一塊銅板和一塊鋅板,中間由一塊浸有鹽水的布隔開。時至今日,生活中常見的鹼性電池、鉛酸電池、鋰電池等電池,都與古老的伏打電堆共享著同樣的工作原理:通過氧化還原反應將自己儲存的化學能轉化為電能。

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描繪伏特(左)向拿破崙(右)展示伏打電堆的畫作。圖片來源:66south.com

這一看似神奇的過程其實並不複雜。一塊電池主要由正極、負極和電解液三部分組成。當電池與外電路聯通時,負極一端就開始發生氧化反應,釋放出電子;正極一端則發生還原反應,正好需要補充電子。由於電解液將兩極隔開,只允許離子流動,不允許電子流動,於是電子通過外電路從負極流向正極,形成電流做功,化學能也藉此轉化成了電能。

原電池示意圖。陽極(Anode)與陰極(Cathode)與外電路連接,浸泡在電解液中,電池運作時,電流從陰極流向陽極。因此,此處的陽極和負極是同一電極,陰極與正極是同一電極。圖片來源:Arumugam Manthiram, Smart Battery MaterialsIn, CRC Press, 2009, pp. 8.

原電池示意圖。陽極(Anode)與陰極(Cathode)與外電路連接,浸泡在電解液中,電池運作時,電流從陰極流向陽極。因此,此處的陽極和負極是同一電極,陰極與正極是同一電極。圖片來源:Arumugam Manthiram, Smart Battery MaterialsIn, CRC Press, 2009, pp. 8.

但如果用一次性電池為隨身聽供電,那麼一張專輯才放幾遍,電池就該扔了。一次性電池的電化學反應是不可逆的,也就是說,化學能轉化為電能的旅程只能一條路走到黑,電量用盡,電池也沒用了。能不能來一種可以重複使用的電池?

這種「得寸進尺」的需求,最終促成了世界上最早的可充電電池——鉛酸電池的誕生。它由法國物理學家加斯頓·普蘭特(Gaston Planté)於1859年發明。可充電電池採用的是可逆的電化學反應,只要施加外電壓,改變電子流動的方向(從正極流向負極),電池兩極就會發生與放電時方向相反的化學反應,彷彿「返老還童」,最終重新充滿電力。

這項發明影響之深遠令人不服不行——時至今日,人們在啟動汽車引擎時使用的蓄電池(俗稱電瓶)依然是鉛酸電池。鉛酸電池的負極與正極分別採用海綿鉛及二氧化鉛,電解液使用稀硫酸。它可以提供很大的電流,價錢也不貴,但就是體積太大了些。

普蘭特和他發明的鉛酸電池。圖片來源:bb-batteryasia.com

普蘭特和他發明的鉛酸電池。圖片來源:bb-batteryasia.com

鉛酸電池做不到面面俱到?沒關係,後面還有一堆科學家躍躍欲試呢。此後,研究者們又不斷探索,發明出採用其他化學反應的充電電池,如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。它們能量密度更大,體積更小,可以用於為各類小型電子設備提供電能。

青出於藍的鋰離子電池

之前說到,電池工作時,電子通過外電路從負極流向正極。與此同時,相同電荷量的正離子則在電池內部從負極向正極流動。早期的電池都使用諸如稀硫酸這樣的以水為溶劑的電解液。在這種情況下,電池內肩負維持電荷平衡任務的是氫離子。然而,使用水系電解液的電池,最多能達到的工作電壓也不過2伏特左右。如果我們想要獲得更高的電壓,輸出更大功率,就要使用不含水的電解液,找到替代氫離子的正離子。

查看元素週期表,最佳的候選者落在了鋰離子身上:作為3號元素,鋰的原子量只有6.9;它既輕又小,比其他大的離子更容易在電解液中移動,可謂不二之選。確定了鋰離子,接下來的任務,就是找到可以與之發生可逆反應的電極材料了。到20世紀70年代,美國化學家史丹利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)在埃克森(Exxon)工作時率先發明了鋰離子電池。經過多年改良,商業化的可充電鋰離子電池在20世紀90年代初在日本推出。

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史丹利·惠廷厄姆目前仍是下一代鋰電池設計的​​重要研發者。圖片來源:binghamton.edu

鋰離子電池的負極使用石墨,正極使用鈷酸鋰,電解液則使用含有鋰鹽(如六氟磷酸鋰)的有機溶劑。放電時,嵌在石墨負極中的鋰被氧化、進入電解液,跑到正極嵌入到氧化鈷的晶格間隙中形成鈷酸鋰;充電時,鋰則從鈷酸鋰中脫嵌,溜回石墨中,如此循環往復。這樣的電池,工作電壓可達到3.7伏特以上,能量密度大大提高。

但所謂「金無足赤,人無完人」,儘管鋰離子電池大獲成功,也免不了還有缺點——比如價格較高,容量流失,以及最嚴重的安全性不高的問題。鋰離子電池電解液使用的有機溶劑十分易燃,雖然我們可以通過加入添加劑和改進電池設計來提高電池的穩定性,卻終究不是長久之計。

厚望加身的離子電池

原理上,我們只要用另一種X離子來替代鋰離子,並找到與之匹配的電極和電解液,就可以得到「X離子電池」。在眾多「X」的候選者中,鋁算是優勢比較明顯的:它的價格比鋰更低,化學性質也更穩定,而且在反應時,每個鋁原子可以釋放3個電子,似乎是個不錯的選擇。

然而,研發鋁離子電池的道路並不順利。最大的困難在於找到合適的正極材料和電解液。在以往的研究中,正極材料往往會在充放電過程中發生不可逆的結構破壞,能有效參與反應的部分因而越來越少。最終,電池容量迅速下降,使用壽命只有幾十個循環——這顯然不能滿足人們的需求。

在研究者們鍥而不捨的努力之下,上月,鋁離子電池終於迎來了大突破。史丹佛大學化學系的戴宏杰教授在《自然》發文宣布,他的研究小組成功製造出了超長壽命的鋁離子電池。

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戴宏杰(右)和文章的共同第一作者之一龔明(左)圖片來源: Mark Shwartz/Stanford Precourt Institute for Energy

這種電池選用鋁金屬作為負極,正極則是一種三維結構的泡沫石墨。秘製電解液由有機鹽[EMIm]Cl(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride)和AlCl3按一定比例混合製成的離子液體。負責在電解液中轉移電荷的離子是AlCl4。電池放電時,鋁負極被氧化生成Al2Cl7,同時釋放電子;本來嵌入在泡沫石墨正極孔隙中的AlCl4則脫嵌進入電解液。充電時,電解液中的AlCl則重新嵌入到泡沫石墨孔隙當中。因為AlCl離子的體積較大,因此找到一種可以允許它快速嵌入/脫嵌的的正極材料頗為關鍵。研究人員巧妙地製備了泡沫石墨——它內部充滿空隙,表面積很大,讓AlCl離子可以快速自由地進出。

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以泡沫鎳為模板,研究者先用化學氣相沉積法在它的表面沉積上石墨,再覆蓋上一層聚合物PMMA;接著用相應溶劑將泡沫鎳和PMMA相繼溶解,得到三維結構的泡沫石墨。用普通非泡沫熱解石墨做正極的話,鋁離子電池的充放電速率只有使用泡沫石墨時的75分之一。圖片來源:參考文獻[1]


在經過驚人的7500次充放電循環後,這些鋁離子電池的容量幾乎沒有損失,工作電壓也穩定在2伏特左右。除了​​壽命長,這種鋁離子電池功率密度也很高(3000W·kg–1),可以在一分鐘內充滿電。此外,它們柔性極好,可以隨意彎曲;安全性能也超棒,哪怕用電鑽將它鑽穿,也不會影響它正常工作。

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鋰離子電池被戳開一個洞很可能帶來嚴重的後果,但用鑽頭(Drill)鑽穿戴宏杰研究組的鋁離子電池,電池依然能正常工作。圖片來源:stanford.edu

取而代之?

說了這麼多優點,這樣的鋁離子充電電池什麼時候能走進我們的生活?

恐怕還早得很。

目前,它的工作電壓只有鋰離子電池的一半,能量密度也只有40 Wh·kg –1,與鉛酸電池相當,還不到鋰離子電池的三分之一,所以大家應該還沒法在智能手機、筆記本電腦或電動汽車裡看到它。除了​​性能的提高還潛力很大之外,這些鋁離子電池的生產成本也有待降低——它的電解液使用離子液體,價格較高;用於製備泡沫石墨正極的化學氣相沉積法也不便宜、是很難投入大規模生產的工藝。要達到「物美價廉」,研究者們還有很長的路要走。

但不管怎樣,鋁離子電池在使用壽命、功率密度和安全性方面的性能依然優越,如果未來可以降低生產成本,它們將會十分適合用於在對能量密度要求不高的地方發揮作用。比如在電網儲能係統中,它們能為太陽能和風能等可再生能源儲能,還能作為家用大型電池,為電動車充電,或是在停電時為電器供電。

一旦科學家能夠研發出比泡沫石墨更好的正極材料,進一步提高鋁離子電池的工作電壓,它的用途將更加廣泛。隨身聽走了,MP3也快走了,科技產品一代又一代地從我們的生活中出現又淘汰,電池和研究電池的人卻一直還在。之後還會有怎樣的電池驚艷我們的生活?給裝備充好電,拭目以待吧。

參考文獻:

  1. Lin, Meng-Chang, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery.Nature (2015).
  2. Nagaura, T. & Tozawa, K. Lithium ion rechargeable battery. Prog. Batteries Solar Cells 9, 209 (1990).
  3. Wessells, et al. Investigations of the Electrochemical Stability of Aqueous Electrolytes for Lithium Battery Applications. Electrochemical and Solid-State Letters 13, no. 5 (May 1, 2010): A59–61.
  4. Chen, Z. et al. Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition. Nature Mater. 10, 424–428 (2011)

 

本文轉載自果殼網

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