锂金属电池诞生，能量容纳率将是普通锂离子电池的3倍
来源：宝鄂实业
2019-03-11 16:34
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锂离子电池的高能量容量，使得从微型移动设备到大型卡车的各种产品都有了续航力。但目前的锂离子电池技术已经接近极限，目前正在寻找更好的锂电池。莱斯大学的科学家们的一项新技术能够发挥其潜力，那么它就能解决这个问题，并使锂金属电池能容纳三倍于锂离子电池的能量。
纳米管的低密度和高表面积允许锂金属在电池充电时均匀地覆盖碳混合材料。由于有足够的空间使粒子在电荷和放电周期中进出，它们最终被均匀分布。
根据这项研究，阳极材料的锂存储能力可以达到351毫安每克，这接近纯锂的理论最大值为每克3860毫安小时，是锂离子电池的10倍。由于纳米管的密度较低，这意味着它能够将所有的方法都涂到基体上，并且最大限度地利用可用的体积。这种新型的材料使用了全新的思路，大大提升了钠离子电池的性能——其循环电池容量达到了 484mAh/g，阴极能量密度更是高达 726Wh/kg。
本次论文的第一作者、斯坦福大学博士后 Min ah Lee也对 DT 君表示：“ 我们的新型阴极由氧和钠组成，具有与常规锂阴极相当的能量密度，可以作为钠离子电池取代锂离子电池的可靠阴极。”
更加令人瞩目的是，由于地球上钠的储量极为丰富，钠离子电池阴极材料开采、生产成本仅为锂离子电池的 1/100，从而将钠离子电池的整体成本控制到锂离子电池的 80% 左右。这一突破性的技术进展，让人类在大规模能源储存的道路上再一次迈出坚实的一步。
图 | 随着全球对锂电池的需求不断增加，锂矿的开采供不应求，价格也水涨船高。随着储量的消耗，其价格可能进一步攀升
事实上，作为目前移动端最靠谱的电池，锂离子电池以较高的能量密度和较彻底的充放电深度，统治了手机、电脑、电动汽车等绝大多数需要充电电池的应用场景。而且，随着锂电池产能的提高，在规模经济的作用下，其价格已经连续多年保持下降的势头，进一步巩固了其相对于其它电池技术的竞争优势。
有科学家甚至认为，在地球上的锂矿全被开采完之前，将不会有其它电池取代锂电池的江湖地位。
然而，“储量耗尽”这个看似天方夜谭一般的情景，却正成为很多业内人士真真切切的担忧。在全球范围内锂电池的产量不断冲向新高、锂电池整体价格大幅下降的背景下，部分用于生产锂电池电极的原材料价格却反而大幅飙升。这是因为地球上可用于生产锂电池所需阴极材料的矿产资源（锂矿、钴矿等）实际上一点都不丰富。
为了满足现有的锂电池产量需求，世界范围内各个矿场的产能都已经被逼到了极限，再增加产能十分困难。更不用说，加速开采还会让这些有限的矿产资源提前耗尽，从而进一步推高价格。因此，锂离子电池面临着一个绝大多数的商品永远都不会面临到的挑战：随着产量的提升，价格不仅无法持续下降，反而可能急剧升高。
为了解决这个问题，科学家们将目光投向了在元素周期表上紧挨着锂元素、特性也与其十分相近的另一种元素——钠。与锂资源相比，地球上的钠资源储量简直丰富到“不可能被耗尽”：从浩瀚的大海里，到每家每户的餐桌上，到处都有氯化钠——食盐的身影。与锂离子电池材料每吨高达15,000 美元的价格相比，如果用钠离子作为电极材料，其每吨成本将只有150 美元，便宜足有 100 倍之多。
图 | 与锂相比，地球上的钠资源实在是太丰富了。大海、盐湖、盐矿，钠元素占据了地壳中超过 2.7% 的质量。因此，以钠为材料的电池将远比锂电池便宜。
然而，虽然应用前景广大，钠离子电池的研究却一直没有取得决定性的突破。
事实上，钠离子电池的研究曾与锂离子电池同时起步。不同于其他需要氧化还原反应的电池，这两种电池属于“摇椅电池”——需要离子自己在阴阳极之间来回穿梭，以达到充放电的目的。换句话说，阴极和阳极起到的作用就是收集、储存和释放用以产生电流的离子。
图 | 许多元素都被用于制造电池。综合多种性能来看，锂是目前最佳的选项。但锂电池电极材料矿产资源储量的匮乏，为其未来的发展埋下了隐忧
上世纪八十年代，锂离子的阴极材料研究首先取得突破，以钴酸锂等材料为代表的阴极材料，和通常由石墨构成的阳极材料组合，让锂离子电池获得了极佳的性能，从而取代之前的镍氢充电电池，走进了千家万户。而钠离子电池的电极材料研究却远没有这么顺利。
实际上，如果离子电池要高效运行，必需要同时满足以下两个条件。但在之前的研究中，钠离子电池的阴极材料要么能量密度高但循环寿命短，要么就是循环寿命长但能量密度低。
· 能量密度够高，单位质量的电池可以提供足够多的电量；
· 循环寿命长，电量不会随着充放电循环次数的增加明显下降。
这一次，斯坦福大学的团队跳出了之前使用过渡元素氧化物或聚阴离子作为阴极材料的思维框架，使用了一种全新的有机材料“肌醇”与钠离子进行结合。
你可能没听说过这个拗口的名字，但这种与葡萄糖结构非常相似的有机物广泛存在于动植物中，是动物、微生物的生长因子，也是食物中的一种常见营养成分。作为一种工业界十分熟悉的有机物，肌醇工艺成熟、应用广泛，而这对于控制钠离子电池的成本来说至关重要。
钠与肌醇可以结合为 Na2C6O6，这种化合物是一种非常理想的阴极材料，理论上可以一次携带 4 个钠离子，因此电池可以有着极高的容量——501mAH/g。
事实上，在鲍哲南团队之前，也曾有人尝试过使用 Na2C6O6 作为电极材料生产钠离子电池。然而，理论上最高 4 个钠离子的运送量在实际中其实很难达到，使得 Na2C6O6 电池的能量密度远低于预期。
此外，只要经过一次充放电循环，第二次循环的能量密度会进一步急剧下降，根本无法满足实际使用的需求。在实际使用场景中，电池应该在经过数百甚至上千次充放电循环后，依然保持较为充足的电量。
