做一个更好的电池需要什么?

做一个更好的电池需要什么?

剑桥大学的研究人员正在努力解决这项技术最大的难题之一:如何制造下一代电池,为绿色革命提供动力。

一个更好的电池可以使一切不同。那么,是什么阻碍了进展呢?

像我们中的许多人一样,当我醒来时,我拿起床头柜上的电话,开始浏览Twitter、Instagram、电子邮件和新闻应用程序。当我准备上班时,我会收听流媒体音乐,并在上下班途中收听播客。当我到达办公室时,我的手机已经需要充电了。现在甚至不是上午9点。

我们口袋里的电脑比那些支持登月的电脑更强大,这是一个现代奇迹。但是,尽管我们的手机和笔记本电脑里的晶体管每年都在变小和变快,但是为它们供电的电池却没有。

1991年,索尼将锂离子电池商业化,这是使电子产品便携化和推动信息交流和消费方式发生巨大变化的关键。锂离子电池是可充电的,所以当设备连接到充电器时,它会将电池恢复到另一个用途。

虽然锂离子电池具有不可否认的优点,例如与其他电池和储能方式相比,其能量密度相对较高,寿命较长,但也可能过热甚至爆炸,生产成本相对较高。此外,它们的能量密度远不及汽油。这使得它们不适合广泛应用于两种主要的清洁技术:电动汽车和太阳能的电网规模存储。一个更好的电池可以使一切不同。那么,是什么阻碍了进展呢?

克莱尔·格雷教授是英国领先的电池研究者之一,他领导着剑桥化学系的一个大型研究小组。她的团队使用核磁共振光谱等方法研究可用于下一代电池、燃料电池和超级电容器的材料。

更好的电池可以储存更多的能量,或者充电更快,理想情况下两者都可以。格雷的团队正在开发一系列不同的下一代电池,包括锂空气电池(利用锂的氧化和氧气的还原来产生电流)、钠电池、镁电池和氧化还原流电池。

例如,一个工作的锂空气电池的理论能量密度是锂离子电池的10倍,这使得它在便携式电子设备、运输和电网存储方面具有潜在的应用前景。然而,尽管这种高能量密度可以与汽油的能量密度相媲美,但实际可达到的能量密度却明显较低,还有重大的研究挑战有待解决。

格雷与工业合作伙伴一起改进电动汽车的电池,她说大学的作用是考虑全新的电池类型,比如她在实验室开发的电池。

她说:“大学需要在10到15年内找到答案,从现在起,我们是最有能力创新、创造性思考和产生激进新解决方案的人。”“我们希望确保我们的工作产生的影响远远超过今天的电池。”

除了开发全新类型的电池外,格雷的主要研究方向是检测故障。作为由英国皇家学会资助的教授职位的一部分,格雷试图在电池出现故障之前找出故障所在。

“我们能在电池出现故障之前检测出故障指示器吗?如果我们能找到它们,那么我们就有可能防止电池爆炸。此外,我们还想探讨一下,例如,一个汽车电池的寿命是否已经到了尽头,它是否可以在电网上有第二个寿命。她说:“如果我们能够实时解决导致电池退化的原因,我们就可以改变使用电池的方式,确保电池的使用寿命更长。”“我们对电池的健康状况了解得越多,电池就越有价值。这两种策略——提高电池寿命和寻找第二种用途都会导致电池更便宜。”

格雷还与法拉第研究所(Faraday Institution)密切合作,法拉第研究所是英国独立的国家电池研究所,由政府通过其产业战略资助。她领导着四个“快速启动”项目中的一个,与其他九个大学和十个行业合作伙伴一起,研究环境和内部电池压力(如高温、充电和放电率)如何随着时间的推移损坏电动汽车电池。

“当你想到其他电子设备时,你通常只想到一种材料,那就是硅,”物理系剑桥卡文迪什实验室的Si_n Dutton博士说,他也在研究法拉第研究所项目。“但是电池要复杂得多,因为你有多种材料可以使用,加上所有的包装,你必须考虑到所有这些组件是如何相互作用的,以及与你放入电池的任何设备的。”

在其他项目中,Dutton的研究小组正在研究固态而非液态电池电解质的可能性。锂离子电池的主要安全问题之一是形成树枝状细金属纤维,使电池短路,可能导致电池着火甚至爆炸。

“然而,如果电解液是固体,你可能仍然会得到树突,但电池爆炸的可能性要小得多,”她说。“对于大学来说,像我们正在调查的那些非常规电池材料是很重要的。如果每个人都朝着同一个方向前进,我们将无法得到真正需要的改变。”

一辆1000英里的电动汽车,或者一部两分钟内充电的iPhone,或者在太阳落山后能够使用储存的太阳能,这些都可能是几年后的事了。但是,格雷说:“如果我们认真考虑转向低碳经济,我们现在需要考虑如何解决这些问题。我们继续推进新材料和新方法,因为没有它们,研究领域就停滞不前。”

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