鋰電潛力已開發至極限?世界需要一場新電池革命 據連線雜誌報導,從智能手機到筆記本電腦,從電動汽車到電子煙,鋰離子電池正為各種各樣的電子產品提供動力。但是,隨著鋰的潛力被開發至極致,研究人員正在努力尋找下一個電池突破點。

鋰電潛力已開發至極限?世界需要一場新電池革命

如果你在智慧型手機上閱讀這篇文章,這意味著你正拿著一顆「炸彈」。在防護玻璃下,鋰(一種非常易揮發的金屬,一旦與水接觸就會被點燃)的化合物正在被分解,並在強大的化學反應中重新構建,這種化學反應為現代世界提供了不可或缺的動力。

鋰正被應用在手機、平板電腦、筆記型電腦以及智慧型手錶中,並且存在於我們的電子煙和電動汽車上。它身輕體軟,且屬於能量密集型物質,這使它成為便攜式電子產品的完美動力之源。但是,隨著消費技術變得越來越強大,鋰離子電池技術卻始終難以跟上步伐。現在,就在全世界都對鋰上癮之際,科學家們正爭相重新發明為世界提供動力的電池。

巨大的發光螢幕、更快的處理速度、快速的資料連接以及輕薄的設計時尚,這些都意味著許多智慧型手機的電量很難支撐一整天的使用。有時候,手機使用者甚至要多次充電。在使用兩年後,很多設備的電池續航時間都會急劇縮短,不得不被扔進垃圾堆。鋰的巨大優勢也是它最大的弱點。它是不穩定的,可能會爆炸。鋰離子筆記型電腦電池的能量與手榴彈相差無幾。Ionic Materials創始人兼首席執行長邁克‧齊默爾曼(Mike Zimmerman)說:「口袋裡有部智慧型手機就像口袋裡揣著煤油一樣。」

齊默爾曼在他位於美國麻薩諸塞州沃本(Woburn)的公司研究實驗室,親眼目睹了這種燃燒效果。在一項實驗中,一台機器透過電池組驅動釘子,電池組迅速膨脹,就像微波爐裡的爆米花一樣,然後發出明亮的閃光。過去50年的電池研究始終在性能和安全性之間走鋼絲,即在不把鋰推向極端的情況下,盡可能多地擠出能量。

我們現在也在這樣做。據預測,到2022年,全球的電池市場規模將達到250億美元。但消費者認為,在一項又一項的調查中,電池續航時間是智慧型手機最受關注的功能。隨著未來十年能耗更高的5G網路普及,問題只會越來越嚴重。而對於那些能夠解決問題的人來說,他們將會得到巨大的回報。

Ionic Materials公司只是數十家公司中的一員,它們正在進行從根本上重新思考電池問題的史詩競賽。不過,這場競賽被錯誤的開端、痛苦的訴訟以及失敗的初創公司所困擾。但在經過十年的緩慢發展之後,希望仍在。世界各地的初創企業、大學和資金雄厚的國家實驗室的科學家們,正在使用複雜的工具尋找新材料。他們似乎即將大幅提高智慧型手機電池的能量密度和續航時間,並創造更環保、更安全的設備,這些設備將在幾秒鐘內完成充電,並足夠持續全天使用。

電池透過分解化學物質來發電。自從1799年義大利物理學家亞歷山德羅‧沃爾塔(Alessandro Volta)發明了電池,用來解決關於青蛙的爭論以來,每塊電池都有相同的關鍵組件:兩個金屬電極——帶負電的陽極和帶正電的陰極,由被稱為電解質的物質隔開。當電池連接到電路時,陽極中的金屬原子會發生化學反應。它們失去一個電子,變成帶正電荷的離子,並透過電解質被吸引到正極。與此同時,電子(也帶負電荷)則會流向陰極。但是它並沒有透過電解質,而是透過電路在電池的外部傳播,為它連接的設備供電。

陽極上的金屬原子最終會耗盡,此時意味著電池耗盡電量。但在可充電電池中,可以透過充電來逆轉這一過程,進而迫使離子和電子回到原位,準備再次啟動循環之旅。純金屬製成的電極無法承受原子不斷進出的壓力而不發生坍縮,因此可充電電池必須使用組合材料,使陽極和陰極通過重複的充電循環保持形狀。這種結構可被比作公寓建築,其中有用於反應性元素的「房間」。可充電電池的性能在很大程度上取決於你能以多快的速度在這些房間裡進出,而不會導致建築物倒塌。

1977年,年輕的英國科學家史坦‧惠廷漢姆(Stan Whittingham)在紐澤西州林登(Linden)的埃克森公司(Exxon)工廠工作,他建造了一個陽極,用鋁來形成「公寓街區的牆壁和地板」,用鋰作為活性材料。當他給電池充電時,鋰離子從陰極移動到陽極,在鋁原子之間的空隙中沉澱。當放電時,他們向另一個方向移動,透過電解質回到陰極一側的空間。

惠廷漢姆發明了世界上第一個可充電的鋰電池,這種硬幣大小的電池足以為太陽能手錶提供動力。但當他試圖增加電壓(使更多離子進出)或試圖製造更大的電池時,它們就會繼續燃燒。1980年,在牛津大學工作的美國物理學家約翰‧古德諾夫(John Goodenough)取得了突破。古德諾夫是一名基督徒,曾在第二次世界大戰中擔任美國陸軍氣象學家,他也是金屬氧化物方面的專家。他懷疑,與惠廷漢姆使用的鋁化合物相比,肯定有某種物質能為鋰提供更堅固的牢籠。

古德諾夫指導兩名博士後研究人員系統性地在週期表中摸索,用不同的金屬氧化物對鋰進行比對,看看在它們崩潰前能從其中抽出多少鋰。最終,他們確定了鋰和鈷的混合物,後者是遍佈非洲中部的藍灰色金屬。鋰鈷氧化物可以承受半數鋰被拉出的極限。當它被用作陰極時,這代表了電池技術向前邁出了一大步。鈷是一種更輕便、廉價的材料,既適用於小型設備也適用於大型設備,而且大大優於市場上的其他材料。

如今,古德諾夫的陰極幾乎出現在地球上的所有掌上型設備中,但他並沒有從中賺到一分錢。牛津大學拒絕申請專利,他本人也放棄了這項權利。但它改變了可能發生的事情。1991年,經過10年的修修補補,索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽極結合在一起,試圖改善其新型CCD-TR1攝影機的電池續航時間。這是第一款用於消費產品的可充電鋰離子電池,它改變了整個世界。

鋰電潛力已開發至極限?世界需要一場新電池革命

吉恩‧伯迪契夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名員工。當這家電動汽車公司於2003年成立時,電池能量密度穩步提高已經持續了十年,每年的提高幅度約為7%。但到了2005年前後,伯迪契夫斯基發現鋰離子電池的性能開始趨於平穩。在過去的七八年裡,科學家們不得不竭盡全力去爭取哪怕是0.5%的電池性能提高。

當時的進步主要來自工程和製造業的改進。伯迪契夫斯基說:「在現代化學反應被使用27年後,它們不斷接受提煉。」材料更加純淨,電池製造商已經能夠透過使每層都變得更薄的方式將更活躍的材料裝入相同的空間中。伯迪契夫斯基稱之為「從罐子裡吸出空氣」。但這也有其自身風險。現代電池由極薄的陰極、電解質和陽極材料的交替層組成,與銅和鋁電荷收集器緊密地結合起來,將電子帶出電池,送到需要的地方。

在許多高階電池中,塑膠隔膜位於陰極和陽極之間,用來防止它們接觸和短路,其厚度僅為6微米(約為人類頭髮厚度的1/10),這使它們很容易受到擠壓損傷。這就是航空公司的安全影片現在為什麼警告說,如果你的手機掉進了機械裝置裡,不要試圖調整座位。

對鋰離子電池的每一次改進,都需要權衡取捨。提高能量密度會降低安全性,引入快速充電可能降低電池的循環壽命,這意味著電池的性能下降得更快。鋰離子的潛力正在接近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來,研究人員一直在試圖尋找下一個飛躍,包括透過系統性地審視電池的四個主要組成部分——陰極、陽極、電解質和分離器,並使用越來越複雜的工具。

克萊爾‧格雷(Clare Grey)是古德諾夫在牛津大學的學生,他始終在研究鋰-空氣電池,即用空氣中的氧氣充當另一個電極。從理論上講,這些電池提供了巨大的能量密度,但要讓它們可靠地充電,並且持續時間超過幾十個週期,在實驗室裡已經夠困難的了,更不用說在現實世界骯髒而不可預知的空氣中了。

儘管格雷聲稱最近取得了突破,但由於上述問題,研究團體的注意力主要轉向了鋰-硫電池。它為鋰離子提供了更便宜、更強大的替代品,但科學家們始終在努力阻止其在陰極上形成的樹突(cathode),以及在陽極上的硫磺因重複充電而溶解。索尼聲稱已經解決了這一問題,並希望到2020年將含有鋰-硫電池的消費類電子產品推向市場。

在曼徹斯特大學,材料學家劉旭清(Xuqing Liu)是那些試圖從碳陽極中擠出更多能量的人之一,他將類似於石墨烯的二維材料結合起來,以便擴大表面積,從而增加鋰原子的數量。劉旭清把它比作增加一本書的頁數。這所大學還投資建造乾燥的實驗室,這將使其研究人員能夠安全、輕鬆地交換不同的元件,以測試不同的電極和電解質的組合。

令人難以置信的是,即使古德諾夫本人也在研究這個問題。去年,94歲的他發表了一篇論文,描述了一種容量是現有鋰離子電池三倍的電池。這受到廣泛質疑。一位研究人員說:「如果是古德諾夫之外的其他人發表了這篇文章,我可能就要罵髒話。」

但是,儘管有成千上萬的論文發表,數十億美元的資金投入,數十家創業公司成立並提供資金支持,自1991年以來,我們大部分消費電子產品的基本化學功能幾乎沒有改變。在成本、性能和消費性電子產品的便攜性方面,還沒有什麼能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhone X的電池的原理幾乎和索尼的第一台便攜式攝影機一樣。

因此,2008年,伯迪契夫斯基從特斯拉離開,開始專注於研究新的電池化學反應。他對尋找石墨陽極的替代品尤其感興趣,他認為這是製造更好電池的最大障礙。伯迪契夫斯基說:「石墨的使用已經有六七年了,它現在基本上是用在電池的熱力學容量上。」2011年,他與特斯拉的前同事艾力克斯‧雅各布斯(Alex Jacobs)、喬治亞理工學院材料學教授格萊布‧尤辛(Gleb Yushin)共同創立了Sila Nanotechnologies。他們在阿拉米達的灣區辦公室有開放式佈局,以雅達利遊戲命名的會議室,還有充滿熔爐和燃氣管道的工業實驗室。

在調查了所有可能的解決方案之後,三人從理論上確定矽是最有前途的材料。他們只需要讓技術發揮作用。許多人在他們之前嘗試過,但都以失敗告終。不過,伯迪契夫斯基和他的同事們對他們的成功表示樂觀。一個矽原子可以附著4個鋰離子,這意味著與重量相近的石墨陽極相比,一個矽陽極可以儲存10倍的鋰。這一潛力意味著,美國國家研究院對矽陽極材料充滿了興趣,Amprius、Enovix和Envia等風投機構支持的初創企業也是如此。

當鋰離子在電池充電時附著在陽極上時,它會輕微膨脹,然後在使用時再次收縮。在重複的充電循環中,這種膨脹和收縮破壞了固態電解質界面層,後者是一種保護物質,在陽極表面形成斑塊。這種損害會產生副作用,消耗電池中的部分鋰。伯迪契夫斯基說:「它被困在無用的垃圾裡。」

隨著時間的推移,這是智慧型手機開始快速損失儲能的主要原因。石墨陽極膨脹和收縮約7%,因此在性能開始急劇下滑之前,它可以完成大約1000個充放循環。這相當於一部智慧型手機持續兩年、每天充電。但由於矽顆粒能吸附如此多的鋰,它們在充電時膨脹的幅度要大得多(高達400%)。大多數矽陽極經過幾次充電循環後會發生斷裂。在實驗室的5年多時間裡,Sila Nanotechnologies創造了一種奈米復合材料來解決膨脹問題。

伯迪契夫斯基解釋說,如果石墨陽極是個「公寓區」,那麼所有的「房間」都是一樣大小,而且都緊緊地擠在一起。經過3萬次迭代(不同的柱子和房間組合),他們形成了陽極,那裡每層都有足夠的空間讓矽原子在獲取鋰時膨脹。他說:「我們把多餘的空間困在建築內部。」這就解決了膨脹問題,同時保持陽極的外部尺寸和形狀穩定。

伯迪契夫斯基表示,明年Sila Nanotechnologies將向製造商提供的第一代材料,將使能源密度提高20%,並最終提高40%,同時也能提高安全性。他說:「矽能讓你遠離邊緣,你可以空出1%或2%的空間,以真正大幅提高你的安全。」最重要的是,它也可以直接轉換成現有的設計。隨著亞洲的電池生產商爭相增加工廠產能,為電動汽車時代到來做準備,伯迪契夫斯基認為,任何與當前生產工藝不兼容的產品都可能被排除在外。他說:「如果現在還不存在可以替代鋰離子的技術,到上市的時候,它將迎來無數的使用者群。」

鋰電潛力已開發至極限?世界需要一場新電池革命

當電池充滿電並放電時,鋰離子在兩個電極之間舞動,有時它們很難返回。相反,尤其是當電池充電太快時,它們會在電極的外面聚集,逐漸形成樹枝狀的分支,就像洞穴頂部的鐘乳石。最終,這些看起來像窗玻璃上結了霜的樹突,可以透過電解質一路延伸,穿透隔膜,並通過觸碰對面的電極產生短路。

隨著各層之間的距離越來越近,這種風險就會增加,出錯的可能性也會隨之增加。正如三星去年發現的那樣,出錯可能會造成損害,代價相當高昂。微小的製造缺陷曾導致Galaxy Note 7手機電池內部短路。在某些設備上,陽極和陰極最終彼此接觸,這起災難性的召回事件估計導致三星損失了34億歐元。Ionic Materials公司的齊默爾曼解釋道:「當這種情況發生時,電池會變得非常熱,液體電解質會發生熱逃逸,最終引發火災和爆炸。」

因為這種情況非常危險,實際上鋰離子電池中沒有那麼多鋰,僅為百分之二左右。但如果有一種方法可以安全地把純金屬鋰從金屬鈷氧化物籠子裡釋放出來,就像惠廷漢姆在20世紀70年代嘗試的那樣,可能會帶來增加十倍的能量密度。這被稱為電池研究的「聖盃」,齊默爾曼可能發現了它。

他認為電解質實際上是增加電池能量密度的最大障礙。人們已經逐漸不再使用浸在液體電解質中的物質,而是使用凝膠和聚合物,但它們通常仍然是易燃的,而且對阻止快速的熱逃逸過程毫無幫助。齊默爾曼自己承認,他不是一個「電池控」。他主修的專業是材料科學,尤其是聚合物,他在貝爾實驗室和塔夫茨大學任教了14年,之後才開始創業。

21世紀初,齊默爾曼開始對可充電電池產生興趣。當時,有些人在努力從液態電解質轉向固態電解質。資深儲能科學家唐納德‧海格特(Donald Highgate)解釋說:「原則上,因為固態電解質電池更安全,你可以讓它更努力工作。同樣的應用程式,你可以使用更小的電池。」但它們大多是陶瓷或玻璃製品,因此很脆,很難大規模生產。」

塑膠已經在電池中被用於隔離器,即位於電解質中間以阻止電極接觸的部分。齊默爾曼認為,如果他能找到合適的材料,他就可以拋棄液體電解質和分離器,取而代之的是一層固體塑膠,這層塑膠是可以防火的,而且還可以防止在兩層之間生長樹突。通過Ionic Materials,齊默爾曼用一種全新的傳導機制創造了一種聚合物,它模仿了電子穿過金屬的方式。這是第一個能在室溫下導電鋰離子的固態聚合物。材料是靈活的,低成本的,經得起各種各樣的考驗。

在一次實驗中,他們把原材料送到了彈道學實驗室,那裡通常被用來測試防彈背心,並用9mm的子彈來射擊它。兩根電線將電池(扁平的銀袋子)連接到三星平板電腦上,後者的電源被小心移除。子彈擊中後,電池就像火山一樣炸開了。在慢鏡頭裡,可以看到塑膠和金屬從火山口噴出,就像熔岩。但電池內部沒有爆發,沒有爆炸或起火。每次碰撞,設備都保持開啟狀態。齊默爾曼說:「我們一直認為聚合物會使它更安全,我們從來沒有指望電池還能繼續工作。」

據齊默爾曼說,這種聚合物將推動鋰金屬的發展,並加速採用新的電池化學物質,如鋰-硫或鋰-空氣。但長遠的未來可能不只是鋰。曼徹斯特大學的研究員劉旭清表示:「這種改進不能與設備性能的改進速度相匹配,我們需要一場革命。」

在牛津郡龐大的哈韋爾科學與創新園區,也就是約翰‧古德諾夫(John Goodenough)簽署協議宣佈放棄他在鋰離子領域取得重大突破專利的地方,史蒂芬‧沃勒(Stephen Voller)舉著一塊與飲料杯大小和形狀相似的碳纖維。沃勒是一位和藹可親的曼城球迷,年近50歲。在加盟首個瀏覽器品牌網景(Netscape)公司之前,他曾在IBM擔任軟件工程師。在公司被AOL收購後,沃勒對筆記型電腦電池續航時間的限制越來越感到失望,於是決定採取些措施。

沃勒的第一個想法是使用氫燃料電池來延長電池巡航時間,但它的波動性證明是便攜式電子產品無法克服的挑戰。他說:「讓氫氣通過機場安檢是相當困難的。」然後,通過牛津大學的熟人,沃勒聽說了一些令人興奮的研究,包括性能更像超級電容器的極快充電材料。當電池以化學方式儲存能量時,超級電容器卻可將其置於電場中,就像氣球上的靜電收集一樣。

超級電容器的問題在於,它們不能像電池一樣儲存那麼多的能量,而且電量會很快泄露出去。如果你不經常使用,鋰離子電池的放電可持續2周,而超級電容器只能保持數小時。許多業內人士認為,將超級電容器與電池結合起來,可能對智慧型手機和其他耗電的消費科技產品有利。海格特表示,超級電容器可以被用來製造一、兩分鐘內就能充滿電的混合手機,而且還可以作為備用的鋰離子電池。他說:「如果你可以非常快速的充電,你可以把它放在感應圈上,在你攪拌咖啡的時候充電。」

沃勒認為,他可以做得更好。2013年,他創立了ZapGo,該公司正在開發碳基電池,其充電速度與超級電容器一樣快,但充電時間與鋰離子電池差不多。到2017年11月,該公司的員工已增至22人,分別在哈韋爾的盧瑟福德阿普爾頓實驗室和北卡羅來納州夏洛特的辦公室工作。它的第一個消費電池將被用在今年年底推出的第三方產品上,包括用於汽車的助推起動裝置,以及充電時間從8小時縮短至5分鐘的電動滑板車。

沃勒手裡拿著的那塊碳纖維是一塊電池,使用了固態電解質,不會著火。兩個電極是由薄層鋁製成的,上面覆蓋著奈米結構的碳,用來增加表面積。沃勒說:「你希望它看起來像喜馬拉雅山。」儘管在顯微鏡下,它更像是城市天際線的輪廓。ZapGo技術的關鍵在於提高效率和減少漏電量,主要是通過確保電解液無縫地與上面的碳天際線相吻合,就像尼龍搭扣一樣。

碳基電池的最大優勢是長壽。因為ZapGo的電池存儲更像氣球,而不是傳統的電池。正如沃勒所說「沒有化學反應」,他聲稱新電池可以持續10萬個放電循環,這是鋰離子電池的100倍。即使每天幫手機充電,也可以使用30年。目前的第三代ZapGo電池還沒有強大到可以執行智慧型手機的地步,但由於使用的材料沒有提供增加電壓的障礙,沃勒預計這種電池將在2022年,也就是「iPhone 15前後」投入應用。

這需要改變充電基礎設施。許多爆炸事件被歸咎於廉價的第三方充電器,而這些充電器沒有阻止爆炸所需的電子設備。對於ZapGo的電池,或者任何基於超級電容的系統,你需要一個充電器來做相反的事情——從電網中吸取和儲存能量,然後在短時間內把它送到你的手機上。在實驗室裡,沃勒的團隊已經製造出了筆記型電腦大小的電源,但他們正在努力使它變得更小、更高效。

包括戴森設計工程學院的薩姆‧庫珀(Sam Cooper)在內的許多人質疑,這些公司是否真的希望在產品中植入能持續使用如此之久的附件。庫珀說:「手機公司有個明確的利潤激勵,就是要在下次發佈時讓老款設備及時停產。為此,研發更好電池的競賽可能根本不存在。」沃勒承認,ZapGo持有的大約30項專利中,有一種方法可人為地降低電池的使用壽命,阻止它們持續使用30年。他說:「我們不會這麼做,但如果客戶願意,我們有能力提供給他們。」

與現有技術相比,碳基儲能技術還有另一個主要優勢。它實際上可以作為手機外部結構使用。沃勒並沒有設計出適合當前手機設計的電池,而是在為柔性螢幕和可摺疊設備的未來做準備。在5G網絡下,我們所有的資料都來自雲端,電池續航時間變得更加重要。

沃勒沿著他辦公室狹窄的走廊走著,走到午後的陽光下,穿過Diamond Light Source的陰影,這是個巨大的環形建築,看起來像是外星飛船降落在牛津郡的鄉村。在內部,研究人員正在利用加速光束在微觀尺度上對潛在的電池材料進行研究,探究為何鋰-硫電池會失敗,以及尋找替代材料以獲得陽極和陰極,這些問題已經困擾了這個領域近30年。

沃勒在空中揮舞著他的智慧型手機,哀嘆著鋰離子電池的缺陷,正是這些缺陷促使他和其他數百人加入了這場高風險的競賽,以期重新發明這些絕好卻又存在缺陷的電池。他說:「我們都必須制定策略來應對這種情況,不管是背夾式電池,還是帶著兩部手機,這都太瘋狂了,事情不應該是那樣的。」

資料來源:The explosive race to totally reinvent the smartphone battery

本文授權轉載自網易科技

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