7台锂电池替代品

锂离子电池目前占据能源储存技术一的主导地位,这是有充分理由的。它们的容量、可收回性和价格使它们成为消费者和工业应用的理想选择。

然而,可再生能源设备、电动汽车的出现,以及锂的开采和安全等问题,迫使市场寻找独立于碱金属的电池。由于这种需求,目前正在开发许多锂电池替代品,这些替代品可以改变能源储存的功率平衡,因为它们是可行的,而且更重要的是,可伸缩的。

从海水电池到纳米材料制造的比钢强100倍的电池,在电池技术上有七个令人兴奋的创新。找出这些新技术的目的是 6.4亿美元的全球锂电池市场 使用更便宜、更有效、对环境危害更小的替代品。

1.水镁电池
如果不是因为几个关键问题,镁金属将是一个理想的替代锂的候选元素它是第八个最常见的元素,无毒,具有负电化学电位,并由于它的附加价电子。这种金属的主要问题是它对水环境中的湿气和钝化的亲和力。简单地说,镁一旦有机会,就会在表面形成保护性惰性氧化层,使其几乎不可能被用作活性电池的阳极。

在香港大学机械工程学系的梁朝文教授的领导下,研究人员创作了一部新颖的作品。 "入盐水"水电解质 在使用镁阳极时调节钝化层的电池。

在他们的研究中,梁教授的团队创造了一种基于氯的过饱和电解质,其中盐(溶质)的重量超过了限制镁阳极钝化的游离水的溶剂(水)。此外,氯化离子在阳极表面的吸附与任何氧化镁反应,重新暴露裸露的金属,以便氧化还原反应能够继续。

梁教授的团队成功地证明了这种水镁电池的功能,为其商业化开辟了新的途径。他们的概念验证是可充电数百个周期,并有较高的放电能力相比其他多价电池技术,如锌和铝基电池的性质相同。如果有比例,这些电池将消除对锂的需求,提高安全性,并大大降低电池技术的成本。

2.固态电池
水电池虽然是迄今为止最有效和流行的选择,但并非完美的设备。带电解液的电池容易过热、泄漏和随着时间的推移而失去电荷,这可能导致性能不佳或在最坏情况下有点火风险。水电池也很重,因此很难在电动车上使用,因为在电动车上,容量-重量比是一个关键的限制因素。用固态电解质电池代替固态电解质电池,可以解决这些问题,但直到最近一直是一种难以捉摸的技术。
美国宇航局用于增强可回收性和安全性的固态建筑电池的研究人员,或称"军刀计划",在这方面取得了重大进展。 固态电池 从2019年开始的。美国宇航局格伦研究中心的研究人员专注于飞机的创新电池技术,他们将原型电池的放电率提高了10倍以上,重量减少了30-40%,与传统的锂技术相比,其能量密度翻了两番,并在恶劣条件下显著提高了电池的安全性。

赛伯项目目前正与佐治亚理工学院、阿贡国家实验室和太平洋西北国家实验室等机构合作,利用它们的初步成功,推动研究走向实用的、基于制造业的设计。

在完全不同的行业,丰田汽车公司。目前拥有的 1000项固态技术专利 目前正在努力在2025年前推出固态电动汽车。该公司报告说,它的技术可以实现高达700公里的全充电距离和20分钟内的全充电,所有这些都增加了安全状况。从理论上讲,带有固态电池的电动汽车将使驾驶者有更多的理由从传统的化石燃料发动机技术转向这一技术,并推动该行业摆脱目前导致低电动汽车采用率的基于锂的限制。

3.钠基电池
钠是一种第1组碱金属,它与锂有许多相同的性质,但由于其在海水中的丰富性,在地球上几乎随处可见。钠基电池将大大降低电池技术的成本,并消除昂贵和对环境有害的锂开采业务以及钴、镍和锰等其他瓶颈金属的需求。

直到最近,工程师们一直在尝试以钠为基础的电池技术,但几乎没有成功:现在,有几家公司正威胁要将锂完全踢出电池方程。

金属间阳极
德克萨斯大学奥斯汀分校已经率先采用了两种方法:第一种方法是创造一个更好的阳极。

使用钠金属作为阳极的主要问题之一是不稳定的表面腐蚀和钠树突体的形成,它们可以缩短电池,导致点火风险。更糟糕的是,电池充电和放电的速度越快,这些树突生长的速度就越快,这意味着当前的钠技术与能更好地缓解这一问题的锂电池相比受到了阻碍。

为了对抗这种效应,奥斯汀大学的研究人员设计了 复合材料 通过在抗原这种NST-NA金属间复合材料既能解决树突问题,又能像锂材料一样快速地再充电。

NST-NA复合材料与钠的结合比钠本身的结合更好,这意味着在使用该元素时更喜欢与均匀层中的阳极结合,不会与自身结合,也不会形成不稳定的树突。研究人员已经申请了该材料的专利,并正在进行进一步的研究,以调查其在商业应用中的可行性。

4.钠硫电池
UT奥斯汀的第二个方法是在一个不动的、不参与的溶剂中,从浓缩的盐硫溶液中产生更好的电解质,以防止硫的溶解。在目前对钠硫电池的尝试中,硫在放电过程中溶解成溶液,并以所谓的"穿梭"动态在电极之间移动,导致部件损坏,随着时间的推移,电荷损失和树突状的形成。因此,目前的钠硫电池的周期寿命和安全性都较低。

钠硫电池目前的形式不足以使锂离子技术脱位。它们是为大型电池系统保留的,在这些系统中钠和硫必须在300℃以上的高温下运行,而且这些温度需要更好的冷却系统和密封协议,或者电池具有点火风险。

奥斯汀大学的新型电解质 用惰性溶剂稀释浓缩盐溶液,使硫保持半溶解状态,防止硫溶解,就像在水中放太多的玉米淀粉,使其变成浓浆一样。他们表明,在环境温度下,这种新型电解质可以防止不必要的硫反应、扩大电池寿命,而且最重要的是不使用锂或其他稀土金属。

美国大学奥斯汀分校(UT奥斯汀)目前正在将这种电解质扩大到更大的电池,以确定其是否能在电动汽车电池和电池组等商业环境中发挥作用。环境温度下的钠硫电池,即使能量密度较低,也会大幅降低价格,并在成本效益高的应用中取代锂离子技术,因为它将更具可回收性和毒性。

在最近的发展中, 博士赵神龙 在…上 悉尼大学 发现了一个常温钠硫电池,大大提高了技术的能量密度和电池寿命。在大学里发明的硬币细胞 化学及生物分子工程学院实现具有石墨烯框架的双活性阴极,该阴极与二硫化物半导体材料分散。简单地说,这些原子分散的阴极可以增加系统中硫的循环稳定性、容量和反应性,缓解穿梭问题,并使电池在室温下运行。这一发现的另一个好处是,它使这些电池生产成本较低,毒性较低,且在不牺牲性能的情况下更可回收。

5.海水电池组
是的,新电池实际上可能来自海洋,而不是来自地下深处。IBM研究 2019年报告 从这个计算机巨头那里揭示了一种秘密材料科学的努力,找到了三种来自海水的专有材料,这些材料可以用来制造出比目前锂技术更好的电池。

IBM没有发布任何信息,说明这些材料是什么,以及它们是如何设计来实现成功的电池,但很有可能假定其中一种材料是钠基的,因为它是海水中最常见的金属。IBM表示,它的新技术能在不到5分钟内达到0-80%的电荷,功率密度达到1万瓦/升,增加了安全性,大大降低了成本,最重要的是完全消除了对钴、镍和重金属开采的需求。

对于IBM的主张的可行性、可伸缩性,甚至是真实性,几乎没有什么可说的;然而,事实上,该公司已经与梅赛德斯-奔驰公司的北美研究与开发公司、中央玻璃公司和西德斯公司合作建立了下一代电池开发生态系统,这将促进这些电池的开发。自从2019年的新闻发布以来,他们还没有发布任何关于该项目的进一步信息,因此,许多人热切地期待着他们与这些制造商合作的结果,看看商业上可行的海水电池是什么样的。

6.石墨烯电池
碳已经被证明是一个多用途的元素,但它可以找到另一种在石墨烯电池技术中的用途。石墨烯是碳分子的另一种排列,也就是同素异体,其中单片原子厚的碳原子连接在一个六角形的晶格中,形成了一种令人印象深刻的强而多孔的半导体纳米材料。
不仅石墨烯 比钢强100倍 ,但它也有高充电能力和高导电。石墨烯电池技术已经证明是可能的,但直到现在,实际竞争锂技术的竞争者才开始开花结果。

石墨烯制造集团,一家专注于石墨溶液的清洁技术公司,与澳大利亚昆士兰大学和联合国大学合作开发了一种 石墨烯铝离子电池 .利用其专有石墨烯制造工艺,将天然气转化为纳米材料、转基因物质和合作者 显示 他们的石墨烯铝电池可与锂电池互换,具有更高的能量和功率密度,在高温下稳定,充电速度高达70倍,持续时间高达三倍,最重要的是不需要稀土金属。

GGG目前正在扩大其商业应用的设计规模,进一步测试原型,同时增加其业务的制造能力,以便在一个商业上可行的石墨烯电池完成后,GGG能够投入生产。如果成功的话,gmg将以90%的可回收、更便宜、更有效的电池技术来扰乱锂电池市场,这可能是锂电池的终结。

7.锰氢电池
过渡金属锰是地球上第12个最丰富的元素,也是第六个最丰富的金属,它比锂更常见,但保留了许多有利的化学和电气性能,在电池应用。

锰的唯一主要问题是它的不稳定性,随着时间的推移,它会改变电池的性能。围绕这个问题的设计在很大程度上阻碍了锰电池技术的进步,然而目前的进步正在改变这一事实。

斯坦福大学的研究人员 新型可充电水基电池 在那里他们显示水和锰盐之间的可逆电子交换。在他们的原型中,一种动力源将电子注入电池,在电池中,电子与硫酸锰水溶液发生反应,在电极上留下二氧化锰,释放多余的电子作为氢气。

极性被逆转,导致二氧化锰溶解回到水中并补充硫酸锰盐,从而充电电池和释放更多多余的电子作为氢气。氢可以通过众所周知的工艺再转化为电力,这意味着这种电池虽然容量不高,但对于寿命、价格和简单性最重要的实用电网应用来说却是理想的。  

研究人员目前正在研究这种锰-氢电池的可伸缩性,他们相信,更大的电池能够比锂电池更好地满足能源部关于电网能源存储的目标。

向前充电
尽管其中许多技术还在开发中,而且还没有进入市场,但它们表明现代工业正在加速结束锂离子电池的生产。为了取得进一步的进展,设计师们必须表明,他们的概念验证不仅比锂离子技术更好,而且还可以扩展到商业应用,如电动汽车电池、家用电力储存系统、消费电子产品、公用事业电网等等。

供应商能够获得像石墨烯、复合材料以及生产这些材料的技术等现代材料,是这一变化的最佳选择。任何希望为向更新、更安全的电池技术转变做准备的公司都应该把锂看作是垫脚石,而不是主要金属。