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小电池和它的大影响:如何走出续航等困境?

2019-05-29 09:55 作者:佚名 来源:科学大家 HV: 编辑:何晓静 【搜索试试

在日常生活中,电池无处不在。现在每个人都离不开智能手机,但经常会对电池的续航能力发出抱怨。除了手机和电脑,还有很多常用的电动工具,年轻人和孩子们的玩具或者机器人,乃至重要的电动汽车,核心都需要用到电池。

除了这些大家耳熟能详的物品,其它方方面面也都需要用电池。比如,有一些病人安装心脏起搏器,心脏起搏器电池寿命就和病人的生活质量有很大关系,因为电池用完了,就需要再动一次手术专门来替换电池;如果想用风能、太阳能或者其他可再生能源,就需要电网有很好的储能能力;当然还有太空卫星,这些都需要电池技术。

无处不在的电池

无处不在的电池  

青蛙:电池发明的大功臣

电池技术这么重要,它是怎么发明出来的呢?

1786年,在意大利博洛尼亚大学有一个解剖学家叫伽伐尼,他在做青蛙解剖实验的时候发现,金属的解剖刀触碰到青蛙肌肉的时候,青蛙会跳,腿会有痉挛的现象。这个发现让人非常惊讶,他认为这里有生物电。

在公元十八世纪时,人们对电的认识主要来自摩擦起电和自然界的雷电,所以之前跟电有关的现象,皮毛摩擦、莱顿瓶等都是静电。在青蛙腿上发现跟摩擦生电一样的现象,在当时的确是令人惊奇的。1791年这个成果发表以后,引起人们很大重视。

比如,它引起了意大利另外一位大学教授伏打的注意。伏打重复并且检验伽伐尼的实验,在重复很多次之后,他想:青蛙腿痉挛的现象,会不会跟生物没有关系?蛙腿或许只是一个导体?

为了证明这个观点,他把跟生物有关的因素都除去,用两种不同的金属来产生电流。的确,最终他用像活泼的锌和不活泼的银或铜这样不同的金属,浸在有盐水的纸板里,产生了持续的电流。这就是人类历史上第一个电池——伏打电堆。

伏打亲手制作的“伏打电堆”,现藏于意大利伏打博物馆,图片来源:维基百科

伏打亲手制作的“伏打电堆”,现藏于意大利伏打博物馆,图片来源:维基百科  

1800年伏打的这个研究使人们对电的认识从静电进入到动电。当时征服了意大利的拿破仑认识到这个研究工作很重要,授予了伏打爵士身份。直至现在我们物理学中电压的单位“伏特”也是以他的名字命名。

当然,这个工作的重要性不仅仅在于得了奖,它为电磁学的出现和发展奠定了基础。法拉第的电磁感应实验是在1831年做的,如果当初没有伏打电堆,法拉第就没有办法做电磁感应实验,人类就没有办法建立电磁学知识体系。

那么伽伐尼是不是错了?实际上伽伐尼非常坚持自己的看法,他认为自己的实验是没有问题的,并且做了很长时间实验来验证。伏打说电流来自两种不同的金属,伽伐尼干脆去做一个实验,不用任何金属,他用青蛙的神经去碰青蛙腿的肌肉,发现青蛙腿还是会痉挛,这说明即使没有金属,没有外界的伏打电堆,生物也会对电信号有反应,还是存在生物电。

所以伽伐尼也是对的。这个现象在经过多年深入研究后,最终产生了现代的电生理学。我们到医院去做心电图、脑电图,都跟电生理学有关,无论美国还是中国,都在研究神经科学、脑科学,这些信号传输都是基于人体里离子产生的电流。

可以想象,在十八世纪到十九世纪转折的阶段,伽伐尼和伏打的学术争论,对于人类知识体系的构建非常有意义。

根据伏打的结论,只要有两种不同的金属,有传导离子的媒介,很多东西都可以做电池,浸了盐水的纸也可以用来做电池。一个比较有趣的事情,我们用水果也可以做电池,如下图。

水果电池

水果电池  

电池是如何进行充放电的?

十九世纪以来,很重要的一件事是铅酸电池的发展,铅酸电池是1859年发明的,电动自行车等很多场景用的就是铅酸电池。1990年商业化的锂离子电池也是一个重要的里程碑。现在已经有一个庞大的电池家族,除了刚才展示的化学电池,还有太阳能电池、温差电池、核电池、燃料电池、生物电池,其中像太阳能电池、温差电池属于能量转换装置,刚才讲的化学电池如果是可充电电池,都是储存式电池。

电池是怎么工作的?我们通过锂离子电池了解一下。普遍的摇椅式的锂离子电池,它的工作原理可以通过两个图来做一些粗浅了解。

“摇椅式”锂离子电池的工作原理

“摇椅式”锂离子电池的工作原理  

左图右上角显示电池的状态是空的,说明它是全放的状态,也就是放电完了。这个视频要演示在充电的过程中间,电池内部发生了什么。大家注意几个点,红的颗粒代表锂离子,蓝的小颗粒代表这里面产生的电子。可以看到电子在电池的外面,从右边走到左边,锂离子从电池的内部从右边走到左边。到左边的过程,实际上就是充电的过程。

对应的,右图显示的是放电的过程,锂离子在电池内部运动,从左边走到右边,电子在外部的电路运动,也是从左边走到右边。这就是它充放电过程的机制。

这样一个来回移动的过程,为什么可以储存能量,这个能量怎么来的?

电池储存能量的机制

电池储存能量的机制  

来看一下能量空间,用一个水池做类比。左边是负极,右边是正极,绿色的像水一样的就是锂离子或者电子,初始状态是充满能量的。

刚开始是放电的过程,这些能量比较高的电子或锂离子把它的能量放掉,两个电极之间逐渐拉平,能量逐渐拉平,这是一个自发的过程。

充电的时候,则通过外界的电把能量储存进去,锂离子和电子的势能增加,就把能量充进去。这样一个充放电的过程,电子和离子在不同的位置,但是它的能量有升高和降低,这就是整个锂离子电池储存能量的工作原理。

七道工序铸就锂离子电池

知道这个原理之后,再来看看这么多锂离子电池,它是怎么被生产出来的?

锂离子电池生产的第一道工序是混浆,把活性电极材料、导电添加剂、黏合剂都混在一起,这里有一个搅拌机,把它搅拌成均匀分散的浆料。第二步是涂布,把黑乎乎的浆料涂到极片的集流体上。第三步是裁剪,把涂好的极片裁剪成所需要的形状。

这个是极耳,极片的耳朵,是把电引出来的地方,极耳是很多时候电池出问题的原因,大家知道前些年三星手机电池爆炸,经过详细调查以后,发现问题就出在极耳有短路的可能性,最终导致电池爆炸。

下一步就是这些电池要叠片,刚才讲到电压不够时我就把它叠的多一点,实际上在电池里面也是一样的,在内部也需要把更多的电能储存进去,所以要叠很多的片。第五步把叠好的片子放到一个外包的壳里面,装成一个袋子。第六步注液,就是把电解液装到这个袋子里面去,这个电解液是离子传导的媒介,就象刚才水果电池里的媒介柠檬一样。最后把电池封装起来,拿去做测试或者使用。

可以看到,在一个工厂里面,电池的生产步骤牵涉到很多,从材料、设备、工艺到自动化控制。

电池续航、安全等困境:前沿研究能解决吗?

当前电池研究在做什么?大家已经看到,可以通过自动化工厂生产很多电池,那么现在的电池还有些什么问题,为什么还要做研究?

第一个研究方向是提高电池能量密度。大家如果自己开电动汽车,经常碰到里程焦虑,眼看电池显示快没电了,但是还没有到下一个充电站,就会有里程焦虑。

看一个典型的例子,一个五座的小汽车,车重大约900公斤,如果续航里程需要达到500公里,估算需要400多公斤的电池,也就是说电池会占车重的二分之一到三分之一,对整个交通工具来说,它的能量效率是不高的。

所以希望电池的能量密度更高,单位体积的材料能够容纳的锂离子更多,正负极之间的电压越高,电池的能量密度就越高。车身的重量越小,电动车的续航越长,所以这是一个非常重要的方向。

第二个研究方向是提高电池的安全性。这张照片是特斯拉的汽车在行驶的过程中,碰到了地上一个尖锐的突起,造成了严重的安全事故。

大家知道特斯拉的电池是做在底盘上的,虽然做了安全性能防护,但是在这个事故当中,它的电池被尖锐的突起扎穿,相当于造成了电池短路,最终使电池起火,所以电池的安全性很重要。

这是实验室做的一个安全性测试,用两个相同能量密度(205Wh/kg)的电池进行针刺实验,一个是没有经过处理的电池,一个是经过材料改进以后的电池,没有处理的电池发生了严重的燃爆,这个电池是10Ah,一辆普通的乘用车大概有400-500个这样的电池。

大家可以想像,如果发生短路或者撞击到尖锐物体等极端情况,安全性不好的电池实际上是很危险的,这也是为什么要不断提升它的能量密度,但同时也提升它的安全性的原因,这是电池的一个重要研究方向。

电池技术,可以使人类生活更加绿色

未来还需要研发什么样的电池?需要把电池工业做的更加绿色、更加环保、更加低成本。刚才演示的这些电池,都需要用到锂元素、钴元素、镍元素,在元素周期表上可以看到金属锂分布不高,钴和镍都属于比较稀有的元素,它们的储量很有限。

像金属钴,在整个地球上主要出产于刚果金,这是一个政治上不太稳定的国家,所以金属的来源有问题。

因此,电池领域都在开发含有其他元素,像钠、镁、钙、铝这些储藏分布更丰富的材料所做的电池,甚至利用有机材料、绿色生物质材料来做电池。

电池研发其实有很多高大上的研究工具。中国的散裂中子源在广东东莞,中国是继美国、日本、英国以后第四个有散裂中子源的国家,有意思的是散裂中子源上的第一个实验数据和第一篇发表的论文,都是跟锂电池有关的。

还有上海光源,包括同步辐射光源和自由电子激光器,以及欧洲的同步辐射光源,苏州的真空互联大装置上有一个锂电的研究平台,还有日本的超级光源spring-8。

大家可以看到这些电池研究,未来也会用到有趣的、最先进的工具。

电能无论是使用还是传输,都需要一个比较稳定的负荷负载。但风能和太阳能是间歇性的,有时候有云飘过来,发电的量就少,所以怎么使这些电网更加稳定?就需要有强大的电池进行储能的削峰填谷(注:削峰填谷是调整用电负荷的一种措施,使发电、用电趋于平衡)。所以未来需要运用储能的装置,电动汽车也可以作为分布式的储能装置,整合到整个智能电网里面。

除了可再生能源,未来的人类社会也会更加智能,现在大家都讲5G物联网的应用,讲人工智能和超级计算等。实际上很多移动的装置,家庭智能家居,在路上车子互相之间会有信息的沟通和交流,未来整个地球都会互联在一起。不仅是能源的互联,也是信息的互联,所有在互联的物体、器件,都需要电池,没有电池就不能工作,电池可以使未来更加绿色、更加智能、更加移动。

注:本文整理于作者在墨子沙龙上演讲,有删减。

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