手把手带你认识锂离子电池(三)

夏军

本文的特约作者夏军将《手把手带你认识锂离子电池》,该文章共分为四篇,我们将分期发表,其为第三篇。

《手把手带你认识锂离子电池(一)》

《手把手带你认识锂离子电池(二)

接下来的内容,我们将就锂离子电池与能量相关的两个关键指标:能量密度和充放电倍率,展开一些简短的论述。

手把手带你认识锂离子电池(三)

能量密度,是单位体积或重量可以存储的能量多少,这个指标当然是越高越好,凡是浓缩的都是精华嘛。充放电倍率,是能量存储和释放的速度,最好是秒速,瞬间存满或释放,召之即来挥之即去。

当然,这些都是理想,实际上受制于各种各样的现实因素,我们既不可能获得无限的能量,也不可能实现能量的瞬间转移。如何不断的突破这些限制,达到更高的等级,就是需要我们去解决的难题。

五、 锂离子电池的能量密度

可以说,能量密度是制约当前锂离子电池发展的最大瓶颈。不管是手机,还是电动汽车,人们都期待电池的能量密度能够达到一个全新的量级,使得产品的续航时间或续航里程不再成为困扰产品的主要因素。

手把手带你认识锂离子电池(三)

从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、再到锂离子电池,能量密度一直在不断的提升。可是提升的速度相对于工业规模的发展速度而言,相对于人类对能量的需求程度而言,显得太慢了。甚至有人戏言,人类的进步都被卡在“电池”这儿了。当然,如果哪一天能够实现全球电力无线传输,到哪儿都能“无线”获得电能(像手机信号一样),那么人类也就不再需要电池了,社会发展自然也就不会卡在电池上面。

针对能量密度成为瓶颈的现状,全球各国都制订了相关的电池产业政策目标,期望引领电池行业在能量密度方面取得显著的突破。中、美、日等国政府或行业组织所制定的2020年目标,基本上都指向300Wh/kg这一数值,相当于在当前的基础上提升接近1倍。2030年的远期目标,则要达到500Wh/kg,甚至700Wh/kg,电池行业必须要有化学体系的重大突破,才有可能实现这一目标。

影响锂离子电池能量密度的因素有很多,就锂离子电池现有的化学体系和结构而言,具体都有哪些明显的限制呢?

前面我们分析过,充当电能载体的,其实就是电池当中的锂元素,其他物质都是“废物”,可是要获得稳定的、持续的、安全的电能载体,这些“废物”又是不可或缺的。举个例子,一块锂离子电池当中,锂元素的质量占比一般也就在1%多一点,其余99%的成分都是不承担能量存储功能的其他物质。爱迪生有句名言,成功是99%的汗水加上1%的天赋,看来这个道理放之四海皆准啊,1%是红花,剩下的99%就是绿叶,少了哪个都不行。

那么要提高能量密度,我们首先想到的就是提高锂元素的比例,同时要让尽可能多的锂离子从正极跑出来,移动到负极,然后还得从负极原数返回正极(不能变少了),周而复始的搬运能量。

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