制造更好的电池需要什么？
更新时间：2024-10-23 07:54 浏览量：15
像我们中的许多人一样，当我醒来时，我会伸手去拿床头柜上的电话，开始浏览 Twitter、Instagram、电子邮件和新闻应用程序。我在准备上班时听流媒体音乐，在通勤途中听播客。当我到达办公室时，我的手机已经需要充电了。甚至还不到上午 9 点。
我们的口袋里有比支持登月的计算机更强大的计算机，这是一个现代奇迹。但是，尽管我们手机和笔记本电脑内的晶体管每年都在变得越来越小、越来越快，但为它们供电的电池却没有。
使电子产品变得便携并推动我们通信和消费信息方式发生巨大变化的关键是索尼于 1991 年将锂离子电池商业化。锂离子电池是可充电的，因此当设备连接到充电器时，它会恢复电池以供其他用途。
虽然锂离子电池具有不可否认的优势，例如与其他电池和储能方式相比能量密度相对较高、使用寿命长，但它们也会过热甚至爆炸，并且生产成本相对较高。
此外，它们的能量密度远不及汽油。这限制了它们在两大清洁技术领域的市场渗透率：电动汽车和太阳能的电网规模存储。
剑桥大学的研究人员正在努力解决如何制造下一代电池来推动绿色革命的难题。
克莱尔·格雷夫人教授是英国领先的电池研究人员之一，领导着剑桥大学 Yusuf Hamied 化学系的一个大型研究小组。2021 年，她是授予价值 100 万欧元的柯尔柏欧洲科学奖，旨在表彰物理或生命科学领域具有巨大应用潜力的突破。
Grey 率先使用 NMR（核磁共振）波谱（类似于 MRI 技术）优化电池，以便在电池运行时监测电池的内部工作，而无需将其切开。利用这些方法，她的小组研究了可用于下一代电池、燃料电池和超级电容器的材料。
更好的电池是可以存储更多能量的电池，或者可以更快地充电的电池——理想情况下两者兼而有之。Grey 的小组正在开发一系列不同的下一代电池，包括锂空气电池（利用锂的氧化和氧的还原来感应电流）、钠电池、镁电池和氧化还原液流电池。
例如，一个工作中的锂空气电池的理论能量密度是锂离子电池的十倍，因此在便携式电子产品、运输和电网存储方面具有潜在的应用。然而，尽管这种高能量密度可与汽油相媲美，但实际可实现的能量密度明显较低，并且仍存在重大研究挑战。
虽然 Grey 与工业合作伙伴合作改进当今电动汽车的电池，但她说，大学的作用是考虑全新的电池类型，例如她在实验室开发的电池。
“大学需要在 10 到 15 年后提出答案——我们是最有能力创新、创造性思考和产生激进的新解决方案的大学，”她说。“我们希望确保我们的工作产生的影响远远超出当今的电池。”
克莱尔·格雷夫人教授（图片来源：Gabriella Bocchetti）
2019 年，Grey 与 Sai Shivareddy 博士共同创立了 Nyobolt，基于其获得专利的碳和金属氧化物负极材料和其他进步将超快速充电电池商业化。Cambridge 衍生公司已在电动跑车原型中证明了其快速充电电池，演示在 5 分钟内从 10% 充电到 80%，是目前道路上充电速度最快的车辆的两倍。
Nyobolt 首席执行官 Shivareddy 解释说：“Nyobolt 的低阻抗电池确保我们能够提供可持续性，就我们的技术演示器而言，电池的使用寿命可延长至 600,000 英里。
Sai Shivareddy 博士（图片来源：Nyobolt）
除了开发全新类型的电池外，Grey 研究的一个主要方面是故障检测。作为英国皇家学会资助的教授职位的一部分，Grey 正在努力寻找在电池故障发生之前找到故障的方法。
“我们能否在电池出错之前检测到故障指标？如果我们能找到它们，那么我们就有可能防止电池安全问题。此外，我们还想探索例如，已达到使用寿命的汽车电池是否可以在电网上获得第二次生命。如果我们能够实时找出导致电池退化的原因，我们就可以改变我们使用电池的方式，确保它的使用寿命更长，“她说。
“我们对电池的健康状况了解得越多，电池的价值就越大。这两种策略——延长电池寿命和寻找第二次使用——都会带来更便宜的电池。
Grey 还积极参与英国独立机构法拉第研究所 （Faraday Institution），该研究所负责电化学储能研究、早期商业化、市场分析和技能发展。她是 10 个主要研究项目之一的联合负责人。该项目涉及其他 8 所大学和 8 个行业合作伙伴，正在研究环境和电池内部压力（如高温和充电速率）如何随着时间的推移损坏电动汽车电池。其结果将是使未来电池寿命更长的关键一步。
“当你考虑其他电子设备时，你通常只考虑一种材料，那就是硅，”他说Siân Dutton 教授在剑桥大学物理系的卡文迪许实验室工作，他还在从事法拉第研究所项目。
“但电池要复杂得多，因为你要处理多种材料，再加上所有的包装，你必须考虑所有这些组件如何相互交互，以及与你要将电池放入的任何设备相互作用。”
Siân Dutton 教授
在其他项目中，Dutton 的研究小组正在研究电池电解质是固体而不是液体的可能性。锂离子电池的主要安全问题之一是枝晶的形成，枝晶是细长的金属纤维，会使电池短路，可能导致电池着火甚至爆炸。
“但是，如果电解质是固体，您仍然可能会出现枝晶，但电池爆炸的可能性要小得多，”她说，并补充说：“对于大学来说，研究像我们正在研究的非常规电池材料非常重要。如果每个人都朝着同一个方向前进，我们将无法获得我们所需的真正变化。
与此同时，在剑桥大学的材料科学与冶金系，研究人员在Manish Chhowalla 教授的实验室一直在研究电池正极中使用的材料。他们的目标是使锂硫 （Li-S） 电池更轻，用于航空航天工业。在法拉第研究所的资助下，他们与其他九所大学合作，开发了一种新的阴极材料，该材料使用二维纳米片的二硫化钼而不是碳。
“锂硫电池具有高能量密度且重量轻，这使得它们有可能部署在短距离商业飞行中，”Chhowalla 解释说。“它们的另一个优点是锂硫电池的电极不含钴等昂贵的过渡金属，这些金属与开采有关社会和环境问题。”
“想象一下这样一个世界，你不用担心电池充电时间，”Grey 说。“这不仅仅是关于便利性：电网的快速响应对于电网的稳定性至关重要。如果你几乎可以立即为汽车电池充电，你就消除了长途旅行的不便，或者如果你住在城市，就消除了充电的困难——它允许你使用更小的电池——这是降低成本和更可持续的最简单方法。
一辆续航里程为 1,000 英里的电动汽车，或者能够在没有阳光或风的情况下将太阳能和风能发电储存数周和数月的前景可能还需要几年时间，但 Grey 说：
“我们将继续推动新材料和新方法，因为没有它们，研究领域就会停滞不前。为了实现气候目标并摆脱化石燃料，我们现在需要考虑如何解决这些问题。幸运的是，对新电池技术的基础研究已经全面展开。