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尋找完美的電池方案
來源:中國(guó)貿(mào)促會(huì)電子信息行業(yè)分會(huì) 日期:2010-6-25 作者:全球電池網(wǎng) 點(diǎn)擊:

據(jù)中國(guó)貿(mào)促會(huì)電子信息行業(yè)分會(huì)報(bào)道,當(dāng)原油用盡時(shí),人們寄希望于電動(dòng)汽車,希望它能夠保護(hù)環(huán)境,使社會(huì)重新充滿活力。實(shí)驗(yàn)證明,電動(dòng)汽車能夠滿足人們的期望,而尋找完美的電池方案一直是研究者的工作重心。

如果2030年真的能夠?qū)崿F(xiàn)德國(guó)國(guó)家電動(dòng)汽車發(fā)展計(jì)劃中所描繪的景象——德國(guó)有500萬輛電動(dòng)汽車在街上行駛——請(qǐng)讓我們回顧過去。在內(nèi)燃機(jī)汽車誕生的30年前,電動(dòng)汽車便已上路,并創(chuàng)造了相當(dāng)可觀的速度記錄:1899年比利時(shí)人Camille Jenatzy駕駛自己制造的車輛行駛,速度超過了每小時(shí)100公里。世紀(jì)之交,在紐約已經(jīng)出現(xiàn)電動(dòng)出租車隊(duì)。然而由于沒有能夠?yàn)殡妱?dòng)車持續(xù)提供動(dòng)力的電池方案,長(zhǎng)久以來它的發(fā)展始終停滯不前。

與內(nèi)燃機(jī)相比,以電能作為動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)顯而易見:起步加速快、功率高達(dá)3-4倍、行駛噪音小,并且不需要驅(qū)動(dòng)裝置。但電動(dòng)汽車的缺點(diǎn)也是存在的,其中重要的一點(diǎn)就是電能總是被很快地消耗掉。

從世界范圍來看,研究者和開發(fā)商都把重點(diǎn)放在電池方面,鋰離子電池技術(shù)代表了當(dāng)前的研究水平。九十年代初,索尼生產(chǎn)出了第一個(gè)小型的鋰離子電池,由于具備性能高、壽命長(zhǎng)、充電時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),很快就在小型設(shè)備如移動(dòng)電話、筆記本電腦和模型飛機(jī)等方面得到了應(yīng)用。而在汽車領(lǐng)域,最初卻沒人愿意使用鋰離子電池,鋰作為電極材料不僅會(huì)導(dǎo)致電壓過高,而且很容易與其他元素進(jìn)行反應(yīng)。

在筆記本電腦中,即使電池有輕微的損傷,只有在溫度極高和充電電壓過高的情況下才會(huì)導(dǎo)致電池中的元素流失到空氣中,引起電腦著火。然而,德國(guó)巴登州普芬茨塔爾 Fraunhofer研究所化學(xué)技術(shù)部的電池研究員Jens Tübke說:“汽車卻完全不同。”汽車的蓄電池中儲(chǔ)存著非常多的能量,它甚至可以變成一個(gè)炸彈。在實(shí)驗(yàn)室和工廠,單體電壓低于3.6伏,一旦短路就會(huì)變熱而且膨脹,在成品電池中有很多個(gè)單體電壓,在如此巨大的能量密度情況下,就算輕輕一碰,后果便會(huì)不堪設(shè)想。

而對(duì)于使用者來說,重要的是認(rèn)識(shí)到哪個(gè)方面對(duì)自己更有用。

安全性:維爾茨堡 Fraunhofer研究所硅酸鹽部的研究員Kai-Christian M?ller曾嘗試用不可燃的聚合物來取代易燃的液態(tài)電池,但電極會(huì)受凝膠狀塑料的影響,充電時(shí)間延長(zhǎng),不能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的性能。

薩克森的合資公司Li-Tec,試圖以其它方式解決這些安全問題。一般情況下,電池制造商使用一塊很薄的塑料隔膜將兩個(gè)電極分開,但在溫度達(dá)到140攝氏度的時(shí)候,它們就會(huì)像爐底板上的塑料袋一樣融化,容易引起短路。Li-Tec利用陶瓷顆粒作為膜片涂層,能夠承受700攝氏度的溫度,但電池功率卻降低了。但從另一方面講,這種電池在充放電4000次之后也不會(huì)報(bào)廢,這對(duì)每天都需要充電的電動(dòng)汽車來說是很重要的。明年Li-Tec公司將會(huì)推出這種既安全又耐用的汽車電池。

耐用性:Lithiumtitanat公司制成的帶極電池可以充放電至少15000次(2000次算優(yōu)秀值)。這些電池可以在使用壽命長(zhǎng)達(dá)十年的醫(yī)學(xué)器材中得到很好的應(yīng)用,對(duì)醫(yī)學(xué)技術(shù)很有價(jià)值。

放電容量:如果想在很小的空間里存儲(chǔ)更多的能量,可以在電極處加入琉璜。理論上,琉璜能比傳統(tǒng)電極聚合三倍多的鋰離子。在實(shí)驗(yàn)室里這種方法看起來似乎前景廣闊,但只能充放電20到40次,之后就幾乎不能再用了。

快速充電:如果要快速充電,磷酸鐵電極材料效果很好。這種情況下手機(jī)電池可以在20秒鐘充好電——至少在實(shí)驗(yàn)室是這樣的,但是需要大量電能。

汽車電池的安全性、放電容量和耐用性是相互聯(lián)系、此消彼漲的,電池制造商陷入兩難境地,一個(gè)方面的提高大多以犧牲了其它方面為代價(jià)。普芬茨塔爾的電池專家Tübke說:“所幸在鋰離子系統(tǒng)中還有很大的改善空間。”

要使電動(dòng)汽車的電池達(dá)到使用汽油或柴油類交通工具的續(xù)駛里程,且既安全又經(jīng)濟(jì),暫時(shí)還是無法實(shí)現(xiàn)的,金屬空氣電池也是如此。在金屬空氣電池中,空氣中的氧氣被當(dāng)作鋰電極的反應(yīng)物。IBM研究員Chandrasekhar Narayan說:“這樣電池就像一個(gè)燃燒引擎,F(xiàn)在是汽車吸進(jìn)空氣使其與汽油一起燃燒,將來空氣將會(huì)用于電化學(xué)反應(yīng)。”IBM希望用這種方式使電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程達(dá)到800公里——比現(xiàn)在的鋰離子電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出10倍。IBM預(yù)計(jì)在五年后生產(chǎn)出第一個(gè)樣品,而其他研究者則很謹(jǐn)慎地預(yù)計(jì),這種研究方案需要耗時(shí)幾十年。

最后,我們要討論一個(gè)老方案,這個(gè)方案原來是為靜止儲(chǔ)能器設(shè)計(jì)的:不是為電池充電,而是加燃料。在氧化還原液流電池技術(shù)中,能源并不是儲(chǔ)存在電極中,而是儲(chǔ)存在電池液體電解質(zhì)中,F(xiàn)在的氧化還原液流技術(shù)電容量很小。Fraunhofer-Institut研究所新科技部門的Jens Noack說:“我們已經(jīng)成功地將它的效率范圍提高到4-5倍,這樣它就跟鋰離子電池很相近了。”

對(duì)此,Tübke既興奮又擔(dān)憂:“這個(gè)想法的提出很引人注目,但是在未來的20年或30年間,還不能解決我們遇到的困難。”

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