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更輕更久更便宜的鋰硫電池：大約十年之后才能商業(yè)化
時間:2020-06-15 09:06來源:zhoupeng198315 作者:zhoupeng198315
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這種電池的主要優(yōu)勢在于它能夠比使用鋰離子技術(shù)的同類電池儲存更多的電量，這意味著它們在一次充電之后可以使用更長時間。而且它們也可以在生產(chǎn)鋰離子電池的工廠中生產(chǎn)，所以它們投入生產(chǎn)相對來說也簡單。
它們沒有使用鈷，而是使用了硫磺，鈷的價格昂貴，并且易受脆弱的全球供應(yīng)鏈的影響，硫磺則是一種廉價的原材料，作為石油工業(yè)的副產(chǎn)品，硫磺也更加容易采購。此外，它們的單位能源成本也大幅減少。
那怎么鋰硫電池還沒普及起來?
目前鋰硫(Li-S)電池的主要問題是充電次數(shù)還不夠多，無法進(jìn)行商業(yè)化。這一切都與電池的內(nèi)部化學(xué)原理有關(guān)：給鋰硫電池充電會導(dǎo)致化學(xué)沉積物的積累，縮短電池壽命。
這些沉積物會形成一種叫做樹突的薄薄的樹形結(jié)構(gòu)，這些樹形結(jié)構(gòu)會從鋰陽極——電池內(nèi)部的負(fù)極——向上延伸，還會損害電池陽極和電解液。
這就降低了電池的供電能力，還可能導(dǎo)致電池發(fā)生短路，導(dǎo)致可燃電解質(zhì)著火。這是一個同樣會影響鋰離子電池的問題，并且已經(jīng)有充分證據(jù)的支持。這就是為什么航空公司要求手機的備用電源只能放在手提行李中，因為在手提行李中發(fā)生的煙霧或火災(zāi)會更容易被注意到或檢測到。
粗糙的突刺
電池開發(fā)人員在給鋰硫電池充電時，鋰會落在凹凸不平的尖峰上，開發(fā)人員很難讓鋰平穩(wěn)、均勻地重新沉積在負(fù)極上。
目前的鋰硫電池的充電周期可能只有50次。西班牙巴塞羅那萊塔技術(shù)研究所的能源存儲研究員路易斯·桑托斯(Luis Santos)博士是LISA項目的技術(shù)協(xié)調(diào)員，該項目致力于優(yōu)化鋰硫電池的各個方面，使其變得足夠緊湊和足夠可靠，滿足小型電動汽車的使用要求。
桑托斯說，如果鋰硫電池要在乘用車這個首要目標(biāo)市場上實現(xiàn)商業(yè)化，它們就需要進(jìn)行重大改進(jìn)。一個主要的目標(biāo)就是保護(hù)鋰負(fù)極，制造更多的充電周期。
為了做到這一點，LISA聯(lián)盟的合作伙伴、芬蘭坦佩雷的Pulsedeon使用激光在負(fù)極上沉積只有幾微米厚的陶瓷復(fù)合材料層，這可以保護(hù)鋰負(fù)極不退化，并防止樹突的生長。
桑托斯博士說：“我對負(fù)極非常有信心，我們有很好的合作伙伴，他們工作非常努力，我們很快就會獲得突破。”
從負(fù)極及其陶瓷保護(hù)層、膜、電解質(zhì)到正極，鋰硫電池的組件都需要優(yōu)化，而LISA的合作伙伴正在為每一個組件進(jìn)行各種研究。
雖然理論上鋰硫電池的容量是鋰離子電池的五倍，但它們也會占據(jù)更大的體積，因此研究人員同時也致力于確保解決方案會使鋰硫電池變得盡可能地緊湊。
混合電解液
LISA的研究人員正在研究的其中一個方面就是一種固體電解質(zhì)，也就是在電池正極和負(fù)極之間傳導(dǎo)離子(帶電原子和分子)的材料。
傳統(tǒng)的鋰離子電池通常使用電解凝膠或液體，但即使在低溫下，這些材料也存在可能造成火災(zāi)風(fēng)險。所以LISA項目正在研究一種能將這種風(fēng)險降到最低的電解質(zhì)。
他們目前正在試驗一種固體陶瓷材料和一種強適應(yīng)性柔性聚合物的組合。
另一種方法是在電池中加入一種“化學(xué)熔斷器”，這個想法是將一種具有熱敏開關(guān)的材料封裝進(jìn)去，這種材料本質(zhì)上就像一個跳閘，如果溫度上升過快，就會停止電流。
桑托斯博士相信，LISA項目將會為這項技術(shù)帶來實質(zhì)性改進(jìn)。
他說：“即使我們沒有(可用于乘用車的)最終產(chǎn)品，我們肯定也會有一些可以改善鋰硫電池的成果。”
LISA項目的大部分研究建立在ALISE項目的發(fā)現(xiàn)上，這個項目由Leitat的能源存儲首席研究員Christophe Aucher博士領(lǐng)導(dǎo)。
Aucher博士說，ALISE項目中有一個引人注目的結(jié)論，汽車制造商SEAT顯示，對于插拔式混合動力電動汽車(PHEV)來說，鋰硫技術(shù)能比鋰離子技術(shù)提供多10%的可行駛里程，而對于純電動汽車(BEV)這個數(shù)字則約為2%，而且電池組還要輕約15%。
Aucher博士說：“讓我們感到驚訝的是雖然它的性能不如鋰離子，但(實際上)比鋰離子好一點，我們談?wù)摰倪�是一項成熟度只有這么低的技術(shù)，所以這有點令人吃驚。”
無人機
該研究還表明，鋰硫電池技術(shù)可以大幅降低成本的可能性，其潛在成本約為每千瓦時72歐元，比同類鋰離子電池技術(shù)低30%。
但ALISE項目的電池在充電50次左右就會出現(xiàn)故障，而Aucher博士表示，要想在小型電動汽車上使用，這個充電次數(shù)最起碼需要增加20倍。
為了改善這個問題和包裹的問題，鋰硫電池還需要一段時間才能成為真正小型汽車的大眾市場產(chǎn)品。
“就(乘用車)的大規(guī)模集成而言，我們指的(大約)是10年左右的時間，”Aucher博士說。
與此同時，這項技術(shù)在那些體積不如質(zhì)量那么重要的應(yīng)用中也證明了其價值。
OXIS Energy是這兩個項目的合作伙伴，總部位于英國牛津附近，該公司正與梅賽德斯-奔馳(Mercedes-Benz)合作生產(chǎn)巴士電池，這種電池雖然體積稍大，卻能大幅節(jié)省重量，從而搭載更多的乘客。
此外，鋰硫電池也已經(jīng)用于那些需要輕型電池且一次充電之后就要運行很長時間的設(shè)備，比如無人機或衛(wèi)星。
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