每塊成功的充電電池背后,都有一群“得寸進尺”的科學家

1、每塊成功的充電電池背后，都有一群“得寸進尺”的科學家鋰電池修復 鋰電池 手機鋰離子電池 18650鋰電池 鋰聚合物電池 聚合物鋰離子電池 5號充電電池 充電電池什么牌子好 充電電池哪個牌子好 充電電池壽命 鎳氫充電電chenwei 發(fā)表于  2015-05-05 17:43 近日，斯坦福大學的戴宏杰研究組在自然發(fā)表論文，宣布研發(fā)出了充電極快、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。為什么要研發(fā)這樣的新電池？這還得從充電電池的發(fā)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

2、慢時，我知道總有電池可以更換。后來，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，除了死亡和交稅，還有給電池充電。不是每一節(jié)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，意大利科學家亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta）就發(fā)明了“伏打電堆”。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，生活中常見的堿性電池、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

3、反應將自己儲存的化學能轉化為電能。描繪伏特（左）向拿破侖（右）展示伏打電堆的畫作。圖片來源：這一看似神奇的過程其實并不復雜。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(fā)生氧化反應，釋放出電子；正極一端則發(fā)生還原反應，正好需要補充電子。由于電解液將兩極隔開，只允許離子流動，不允許電子流動，于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，電池工作時，電流從陰極流向陽極。因此此處，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

4、Manthiram, Smart Battery MaterialsIn, CRC Press, 2009, pp. 8.但如果用一次性電池為隨身聽供電，那么一張專輯剛刷幾遍，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復使用的電池？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）于1859年發(fā)明?？沙潆婋姵夭捎玫氖强赡娴碾娀瘜W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

5、會發(fā)生與放電時方向相反的化學反應，仿佛“返老還童”，最終重新充滿電力。這項發(fā)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依然是鉛酸電池。鉛酸電池的負極與正極分別采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(fā)明的鉛酸電池。圖片來源：bb-鉛酸電池做不到面面俱到？沒關系，后面還有一堆科學家躍躍欲試呢。此后，研究者們又不斷探索，發(fā)明出采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，可以用于為各類小型電子設備提供電能。青出于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

6、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。查看元素周期表，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(fā)生可逆反應的電極材料了。到20世紀70年代，美國化學家斯坦利·惠廷厄姆（M.

7、Stanley Whittingham）在埃克森（Exxon）工作時率先發(fā)明了鋰離子電池。經過多年優(yōu)化，商業(yè)化的可充電鋰離子電池在20世紀90年代初在日本推出。斯坦利·惠廷厄姆目前仍是下一代鋰電池設計的重要研發(fā)者。圖片來源：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，嵌入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(huán)往復。這樣的電池，工作電壓可達到3.7伏以上，能量密度大大提高。但所謂金無足赤，盡管鋰離子電池大獲成功，也免不

8、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(wěn)定性，卻終究不是長久之計。厚望加身的鋁離子電池原理上，我們只要用另一種X離子來替代鋰離子，并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(yōu)勢比較明顯的：它的價格比鋰更低，化學性質也更穩(wěn)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(fā)鋁離子電池的道路并不順利。最大的困難在于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(fā)生不可逆的結構破壞，能有效參

9、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(huán)這顯然不能滿足人們的需求。在研究者們鍥而不舍的努力之下，上月，鋁離子電池終于迎來了大突破。斯坦福大學化學系的戴宏杰教授在自然發(fā)文宣布，他的研究小組成功制造出了超長壽命的鋁離子電池。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。秘制電解液由有機鹽 EMImCl（1-ethyl-3-methylimidazolium chloride） 和 AlCl3 按

10、一定比例混合制成的離子液體。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 AlCl4- 則重新嵌入到泡沫石墨孔隙當中。因為 AlCl4-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。研究人員巧妙地制備了泡沫石墨它內部充滿空隙，表面積很大，讓AlCl4-離子可以快速自由地進出。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

11、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(huán)后，這些鋁離子電池的容量幾乎沒有損失，工作電壓也穩(wěn)定在2伏左右。除了壽命長，這種鋁離子電池功率密度也很高（3000W·kg1），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，哪怕用電鉆將它鉆穿，也不會影響它正常工作。鋰離子電池被戳開一個洞很可能帶來嚴重的后果，但用鉆頭（Drill）鉆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：取而代之？說了這么多優(yōu)點，這樣的鋁離子充電電池什么時候能

12、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·kg1，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里看到它。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；用于制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(guī)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(yōu)越，如果未來可以降低生產成本，它們將會十分適合用于在對能量密度要求不高的地方發(fā)揮作用。比如在電網

13、儲能系統(tǒng)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(fā)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。之后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。（編輯：Calo）果殼網已經加入自然出版集團媒體分享白名單，點擊文中的論文鏈接即可免費閱讀全文。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. Electrochemic