如何应对锂离子电池降解和充电限制?
发布时间: 2019-10-09 01:17:03 浏览量: 2450
从电信到交通,过去二十年见证了高效、便携、环保电池的发展。耗电量巨大的移动电话线路在很大程度上取代了低压固定电话线,而电动汽车经常出现在欧洲道路上—在加速和效率方面都超过了碳氢燃料汽车。
 
电子香烟取代了导致肺癌的烟草产品,因为电子香烟让空气中充满了芳香的蒸汽。每一种设备都需要高密度的可充电电池才能正常工作;无论好坏,锂离子电池已成为标准;毕竟,铅酸电池体积庞大、危险且低效,而镍镉电池中的镉在2005年被欧盟宣布为非法。
 
锂离子电池技术的局限
 
锂电池具有非常高的能量密度,这意味着它们可以存储相当大的电量:它们不会随着时间的推移而自行放电,并且它们不需要维护—因为它们没有内存而且电池也不需要定期循环来延长寿命。
 
锂电设备的未来前景光明,以至于电动汽车制造商特斯拉投入约45亿欧元来建立第一个太阳能电池超级工厂,为公司的Model S电池生产基于锂离子的动力墙、电池组和电池。世界上最大的锂离子电池是特斯拉在2017年制造的,完全充电后,可以为多达3万户家庭供电至少一个小时。
 
老化和降解
 
不可否认的是,锂离子电池会随着时间的推移而失效。阴极会降解,经过大约1000次充电循环后,高端电池将损失约20%的电量。锂离子电池即使不使用也会退化,而且在储存一年之后,充满电的电池也会损失20%的电量;如果他们进入“深度放电”状态,很可能就不会再充电了。这种降解主要是由于晶须、树状结构的出现,以及镀层表面的生长(统称为树枝状晶体)。
 
不利环境影响
 
虽然欧洲有许多设施可以收集和处理锂离子电池,但很少有设施可以进行回收利用的。尽管特斯拉计划在其超级工厂上促进电池的回收利用,但目前只能使用第三方合作伙伴来实现这一目标,这是一个低效的过程。通常,无效的锂离子电池会被直接扔进垃圾填埋场。
 
 
工用大电流锂离子电池。图片由Bigstock
不幸的是,开采锂要比在回收过程中从电池中提取锂便宜得多——锂电池回收企业很少(如果有的话)收支平衡,因此需要国家补贴。虽然从地下开采锂可能在经济上是合理的,但却破坏环境。锂矿开采破坏环境。矿山和制造厂有毒物质的泄漏严重破坏了当地的生态系统——河流污染、杀死牲畜和鱼类,并使原本肥沃的农田受到严重污染。
 
虽然金属可以从海水或盐水沉积物中提取,但该过程需要大量的水。智利是世界上最干旱的沙漠,由于水资源有限,立法者正在考虑限制锂矿开采权。回收能力的缺乏和越来越多的电池供电产品意味着需求只会增长,而环境负担也会随之增加。
 
提高稳定性和性能
 
防止或改善锂离子电池相关问题的一种方法是提高其可靠性,确保它们不会随着时间的推移而降解并且可以无限期使用。
 
提高电池寿命和整体可靠性
 
韩国蔚山国家科学技术研究院的研究人员设计了一项新技术,该技术有望限制细胞内锂箔的枝晶生长。这有可能无限期地延长电池寿命,同时提高电池本身的稳定性和性能。该技术还处于早期阶段,涉及用锂—锂化锂—锂阳极上,从而形成更加均匀的表面,并限制枝晶体形成。该过程尚未在真正的电池中进行试验,研究正在进行中。另一种可能性是,工业将完全脱离锂离子电池和其他稀土电池,从而能够生产出一种材料简单、不污染环境的电池。
 
 
OSU的研究人员Paul Gilmore和Vishnu-Ba
钾氧电池
 
钾氧电池最初于2013年开发,其存储容量是锂电池的两倍,效率也比锂电池高。但是电池每次充电都会降解,电池的续航时间从未超过10次,这使得该技术无法应用到可靠性和寿命要求较高的应用上。降解是由于氧气渗入阳极,导致阳极分解。最近的发展已经看到OSU研究人员将聚合物加入阴极,防止氧气到达并破坏阳极。在过去六年中,钾氧电池的寿命从10个充电周期跃升至至少125个。这仍然不如锂离子电池好,但已经取得了进步。
 
如果OSU研究人员能够将钾氧电池的性能提高到相似水平,那么钾氧电池就比锂离子电池有优势。否则除了提高电量和效率外,超级工厂将不需要制造它们。钾氧电池的成本不到锂电池的一半,它们不使用任何特殊材料而且它们还可以在任何地方制造。
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