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透过泡沫看本质:电池的未来在哪里

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核心提示:锂-空气电池想要在成本和使用寿命上比肩传统的锂离子电池、达到“稳定生产期”,还有很长的路要走。

卡内基梅隆大学提出的“技术成长曲线”告诉我们,诸多新技术想要与锂离子电池竞争还有多远的路要走。 

每隔几周我们都能看到爆炸性新闻,声称发现了电池技术的“圣杯”,将来我们可以运用该技术在几分钟内给智能手机充满电、开电动车行驶数百英里、开发廉价可靠的可再生能源存储手段。

然而,这些“颠覆游戏规则”的电池似乎并没有在头条新闻之外的地方大显身手。这是怎么回事呢?

卡耐基梅隆大学机械工程学院的助理教授Venkat Viswanathan提出了同样的问题。在最近发表的论文中,他和他的同事提出了一个量化电池化学研究进展的“技术成长曲线(hype cycle)”。

这些研究人员统计新发表关于特定电池化学机制的技术论文,以确定该技术在“技术成长曲线”中的位置:从“创新出发点”、“期望膨胀顶峰”到最终的“稳定生产期”。最后这一阶段正是当前锂电池所处的位置。

HypeCycle.png

这个图表展示了一些类型各异的电池技术。锰离子电池、钠离子电池、锂-硫电池的工作原理都与锂离子电池在某种程度上类似,但它们在能量密度(决定了电池有多小,或多轻)和成本上有击败锂离子电池的潜力。譬如,由于硫的价格低廉,相比于当今的锂离子电池,锂-硫电池有潜力大幅降低成本。然而目前的锂-硫电池并不稳定,易出现能效大幅下降和自放电。并且,当离子在电池中运动时,锂-硫电池的电极可能膨大80%,如此一来就很难找到维持电池形态的材料。不过锂-硫电池是最有前景的技术之一,其发展过程刚刚越过了Viswanathan及其学生所指出的“期望膨胀顶峰”。

锂-空气电池是除了锂离子电池外唯一越过“泡沫破裂低谷”并走向“启蒙上升期”的电池。锂-空气电池的储能技术完全不同,击败锂离子电池的潜力极大。这种电池的用金属锂做负极,在正极一端直接与空气中的氧气反应。由于反应物之一是空气,理论上讲,该电池储存同样能量所需材料仅为其他电池的一半,其重量也可减半。这一优点尤其为电动车行业所关注,因为小体积电池组对电动车十分有利。然而,锂-空气电池想要在成本和使用寿命上比肩传统的锂离子电池、达到“稳定生产期”,还有很长的路要走。

Viswanathan研究的价值在于帮助我们预测不同电池技术的发展阶段。虽然创新技术如雨后春笋,在便携式电子设备、电动车、电网设备等方面,锂离子电池仍然是赢家。也许在数年内,我们就能见证锂-空气电池超越锂离子电池,电动车相对于汽油、柴油车的竞争力大幅提升。但是锂-空气电池仍处在“启蒙上升期”,要达到锂离子电池的水平还有很长的路要走,更不用说与化石燃料竞争。

作者简介:Robert Fares 是美国得克萨斯大学奥斯汀分校的博士后,他的研究方向为新兴能源技术的经济和环境影响。(本文观点仅代表作者,不代表《科学美国人》。)

翻译:张帅琰

审校:杨玉洁


原文链接:http://blogs.scientificamerican.com/plugged-in/beyond-the-hype-what-s-the-future-of-batteries/

论文链接:http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1613/2/4/045002/meta

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