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透過泡沫看本質:電池的未來在哪里

2016-06-02 13:32:21 來源: 《科學美國人》中文版《環球科學》 舉報
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核心提示:鋰-空氣電池想要在成本和使用壽命上比肩傳統的鋰離子電池、達到“穩定生產期”,還有很長的路要走。

(原標題:透過泡沫看本質:電池的未來在哪里)

卡內基梅隆大學提出的“技術成長曲線”告訴我們,諸多新技術想要與鋰離子電池競爭還有多遠的路要走。 

每隔幾周我們都能看到爆炸性新聞,聲稱發現了電池技術的“圣杯”,將來我們可以運用該技術在幾分鐘內給智能手機充滿電、開電動車行駛數百英里、開發廉價可靠的可再生能源存儲手段。

然而,這些“顛覆游戲規則”的電池似乎并沒有在頭條新聞之外的地方大顯身手。這是怎么回事呢?

卡耐基梅隆大學機械工程學院的助理教授Venkat Viswanathan提出了同樣的問題。在最近發表的論文中,他和他的同事提出了一個量化電池化學研究進展的“技術成長曲線(hype cycle)”。

這些研究人員統計新發表關于特定電池化學機制的技術論文,以確定該技術在“技術成長曲線”中的位置:從“創新出發點”、“期望膨脹頂峰”到最終的“穩定生產期”。最后這一階段正是當前鋰電池所處的位置。

HypeCycle.png

這個圖表展示了一些類型各異的電池技術。錳離子電池、鈉離子電池、鋰-硫電池的工作原理都與鋰離子電池在某種程度上類似,但它們在能量密度(決定了電池有多小,或多輕)和成本上有擊敗鋰離子電池的潛力。譬如,由于硫的價格低廉,相比于當今的鋰離子電池,鋰-硫電池有潛力大幅降低成本。然而目前的鋰-硫電池并不穩定,易出現能效大幅下降和自放電。并且,當離子在電池中運動時,鋰-硫電池的電極可能膨大80%,如此一來就很難找到維持電池形態的材料。不過鋰-硫電池是最有前景的技術之一,其發展過程剛剛越過了Viswanathan及其學生所指出的“期望膨脹頂峰”。

鋰-空氣電池是除了鋰離子電池外唯一越過“泡沫破裂低谷”并走向“啟蒙上升期”的電池。鋰-空氣電池的儲能技術完全不同,擊敗鋰離子電池的潛力極大。這種電池的用金屬鋰做負極,在正極一端直接與空氣中的氧氣反應。由于反應物之一是空氣,理論上講,該電池儲存同樣能量所需材料僅為其他電池的一半,其重量也可減半。這一優點尤其為電動車行業所關注,因為小體積電池組對電動車十分有利。然而,鋰-空氣電池想要在成本和使用壽命上比肩傳統的鋰離子電池、達到“穩定生產期”,還有很長的路要走。

Viswanathan研究的價值在于幫助我們預測不同電池技術的發展階段。雖然創新技術如雨后春筍,在便攜式電子設備、電動車、電網設備等方面,鋰離子電池仍然是贏家。也許在數年內,我們就能見證鋰-空氣電池超越鋰離子電池,電動車相對于汽油、柴油車的競爭力大幅提升。但是鋰-空氣電池仍處在“啟蒙上升期”,要達到鋰離子電池的水平還有很長的路要走,更不用說與化石燃料競爭。

作者簡介:Robert Fares 是美國得克薩斯大學奧斯汀分校的博士后,他的研究方向為新興能源技術的經濟和環境影響。(本文觀點僅代表作者,不代表《科學美國人》。)

翻譯:張帥琰

審校:楊玉潔


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

論文鏈接:http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1613/2/4/045002/meta

冷娜 本文來源:《科學美國人》中文版《環球科學》 責任編輯:冷娜_NN5073
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