偏科生锂硫电池 太阳能无人机用它连飞11天
由于电子产品的广泛使用,以及当下新能源车的迅速普及,我们似乎可以这么说,过去没有哪一个时代,比我们现在更关心电池的能量密度了。
大众较为了解的三元锂电池,其电芯的能量密度可以达到300瓦时/千克,然而,一种技术还不成熟,且还未获得广泛应用的锂硫电池,能轻松实现600瓦时/千克的能量密度,而理论能量密度更是高得惊人!
国际电池材料协会发布的《锂硫电池白皮书》中指出,锂硫电池的理论能量密度为2600瓦时/千克!
如此诱人的能量密度,必然会吸引各国技术人员进行研究。今年2月29日,国家自然科学基金委员会发布了2023年度“中国科学十大进展”,一项有关锂硫电池的研究成功入选。今天,咱们就来好好了解一下这种电池。
同族元素
各种正在研究的电池中,要说能量密度最高的,其实还不是锂硫电池,而是锂空气电池,它的理论能量密度高达3500瓦时/千克以上,比锂硫电池的理论能量密度高很多。
其原理是以锂为负极材料,以空气中的氧为正极材料。放电时,氧气在催化剂的作用下与锂离子反应生成过氧化锂;充电时,氧化锂分解生成氧气和锂离子。
毫无疑问,这种电池目前还存在大量的技术难点,比如:
放电时生成的氧化锂会沉积起来,继而阻碍电池的充放电效率。
空气中的水分和杂质会对电池造成腐蚀,缩短电池寿命。
因此,目前实验室在研究“锂空气电池”时,常常是在“纯氧”环境下进行的。也许未来会成功,但是目前,锂空气电池还不是我们能达到的成熟技术。
既然使用“氧气”作为锂电池的正极太超前,那么,是否存在稍微现实一点的材料呢?当然是有的。
元素周期表,图片来自Wikipedia。
在元素周期表中,锂元素和钠元素属于同族元素,它们拥有相似的化学性质。因此,在锂离子电池广泛使用的今天,钠离子电池也逐渐走向了商用,且未来可期。
元素周期表,图片来自Wikipedia。
在元素周期表中,氧和硫亦属于同族元素,两者具备相似的化学性质。既然“氧”在锂空气电池中可以作为正极,那么同族元素的硫,也同样可以作为电池中的正极——这便是锂硫电池。
锂硫电池的历史
锂硫电池的研究始于20世纪60年代。
1967年,Herbert和Ulam首次提出,可以将硫作为锂电池的正极材料。需要注意的是,此时提出的“锂硫电池”还属于原电池,也就是一次性使用的电池。
20世纪80年代,Plichta等人研究了锂硫电池的充放电机制。
20世纪90年代起,锂硫电池的研究取得了重大进展,能量密度不断提高。然而,锂硫电池的安全性和经济性比较差。
2014年后,锂硫电池开始小量进入尝试应用阶段。
大型太阳能无人机上的应用
图为欧洲空客公司设计制造的Zephyr系列大型太阳能无人机,图片来自Wikipedia。
2014年,大型太阳能无人机Zephyr7,也就是“西风7号”,使用锂硫电池连续飞行了11天。Sion Power当时为它提供的锂硫电池,其能量密度高达350瓦时/千克。
似乎350瓦时/千克这个能量密度看起来一般般,但需要注意的是,这可是在10年前的2014年。彼时,新能源车才刚刚起步,那时使用的锂离子电池,其能量密度现在看来低得可怜。
虽然西风7号使用的是锂硫电池,但较新的“Zephyr S”,也叫“西风8号”,其在2022年实现了64天的高空连续飞行,然而,在“西风8号”上却并未使用锂硫电池。这也从侧面说明,锂硫电池目前还处于小量尝试应用阶段。
2020年,装载了锂硫电池并由韩国航空航天研究所开发的高空太阳能无人机“EAV-3”,成功进行了平流层飞行试验。
EAV-3太阳能无人机,图片来自Wikipedia。
在2020年的这次飞行试验中,EAV-3最高飞行高度为22千米。在总长为13个小时的飞行中,无人机在12千米至22千米高度的平流层中稳定飞行了7个小时。
锂硫电池优势
综上,我们可以看出,锂硫电池已处在小范围尝试应用中。跟传统锂离子电池相比,它有以下两大核心优势:
1、锂硫电池的理论能量密度远超传统锂离子电池。
10年前,锂硫电池就已经实现350瓦时/千克,而目前的传统锂离子电池也没有超越此能量密度。
能量密度又叫“质量能量密度”,它是指单位质量所具有的能量。例如:
两组质量相同的电池,A电池组的能量密度为200瓦时/千克,B电池组的能量密度为400瓦时/千克,那这就意味着:在相同使用环境下,A电池组的续航时间将是B电池的两倍。
飞行于两万米以上空气极为稀薄的大型太阳能无人机,它们极其在乎自身的重量,因此,它们在早期尝试使用了锂硫电池,而核心目的就是让电池组尽可能轻,同时储能容量尽可能大。
黄色的硫磺燃烧时会融化成血红色液体并发出蓝色火焰。图片来自Wikipedia。
2、锂硫电池中的“硫”材料,价格极为低廉,且全球储量丰富。
若未来锂硫电池技术真的成熟了,获得大规模使用后,也不大会被硫的稀缺问题和价格问题所困扰。
一名男子从印度尼西亚某火山中携带硫磺块,图片来自Wikipedia。
锂硫电池当前的困难
单质硫和硫化锂的体积差异悬殊,在电池的还原反应中,从单质硫变成“一硫化二锂”时会带来80%左右的体积膨胀。
体积膨胀
换句话说,锂硫电池的体积会比较大。如果是前面提到的大型太阳能无人机倒还好,因为其本身体积巨大,所以对电池体积的膨胀有不小的承受空间。
而换作我们身边常用的手机或汽车就有点让人头疼了,因为这两者都对电池体积的大小有限制,尤其是手机。
穿梭效应
体积膨胀并非最大的困难,锂硫电池目前最大的技术难点是“多硫化锂穿梭效应”。
锂硫电池在充放电过程中,中间产物多硫化锂会溶解在电解液中,并迁移到电池负极,继而与锂金属发生反应,生成新的硫化锂。这一过程称为“多硫化锂穿梭效应”,会导致电池容量快速衰减,循环寿命缩短。
锂硫电池工作原理及“穿梭”效应,图片来自Wikipedia。
最新进展
为了解决当前的技术难点,研究人员需要对锂硫电池内部发生的化学反应了解得清楚一些,再清楚一些,继而才能针对性地解决问题。
然而,由于传统的原位显微研究技术的时空分辨率低,以及锂硫体系不稳定等因素,人们很难做到这一点。
2023年度“中国科学十大进展”中,来自厦门大学的廖洪钢、孙世刚和北京化工大学陈建峰等人,他们开发出了高分辨电化学原位透射电镜技术,对锂硫电池界面反应实现了原子尺度动态实时观测和研究。
更重要的是,近百年来,“电化学界面反应”通常被认为仅存在“内球反应”和“外球反应”单分子途径。
而这次,我国研究人员的研究揭示出还存在第三种途径,这就是“电荷存储聚集反应”。
无疑,这个新发现将为锂硫电池未来的设计提供指导。
文章出处:科普中国
本文链接:http://www.huotuchuangye.com/content-21-785-1.html
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