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【与Ni同行】电池: 现已尚佳、 未来远胜
国际镍协会 2019/01/03

  关于本专栏:中国表面工程协会科学技术委员会与国际镍协会合作推出“镍知识”系列文章,希望可以带领行业同仁一起学习、探讨相关知识,以便更加自如地应用在生产实践中。答疑咨询请联系中国表面工程协会秘书处,电话010-82237151转8018,或发送邮件至stc@csea1991.org我们将联系专家为您解答。

  从铅酸电池到锂离子电池,电池在过去50年左右经历了巨大的转变。当时,电池的应用范围十分有限:起动汽车以及为玩具、遥控器和手电筒供电。铅酸电池一直是汽油动力汽车的首选,而家用设备一般依靠碱性电池供电。随后诞生了镍基可充电电池:镍镉电池(NiCd)和更持久的镍金属氢化物电池(NiMH)。这些电池改变了我们的工作和生活方式,可以为电动工具和早期的数码相机供电。NiMH从上世纪90年代中期开始迈出一大步,进入了交通运输领域,作为丰田普锐斯混合动力汽车的支持技术。这个转变永久性地改变了驱动技术,催生了如今的电动汽车。但能量密度仍未达到人们对汽车、工具、相机及其他新兴设备的需求。

  锂离子电池的诞生

  锂离子电池(Li-ion)于1991年投入商业应用(其中大部分型式含镍),包括早期的便携式摄像机和如今我们使用的智能手机、笔记本电脑以及其他便携设备。锂离子电池还被引入到了下一代汽车,因为其超高的功率密度对于车辆的长距离行驶至关重要。

  半个世纪以来,我们从电池主要处于边缘地位的时代过渡到了电池处于核心地位的时代――全天放在我们的口袋和钱包里(有些人的体内甚至植入了电池,例如心脏起搏器)。只要在机场候机室里张望一下,就会发现人们经常在到处寻找电源插座,这足以说明电池在我们的日常生活中有多么重要了。

  镍的未来短期前景看好

  对于很多技术而言,使用得越多,改进的需求就越强烈。电池也不例外。我们希望手机和笔记本电脑充一次电后就可以使用好几天。我们希望电动汽车开得像加满汽油的汽车一样远(只要不到十分钟就能‘加满’)。我们也越来越希望电池为复杂的大规模电网提供支持。

  我们希望电池更轻盈、密度更大、更强劲、充电更快。这样就产生了一个问题――我们怎样才能获得这样的电池呢?这是否需要对现有技术不断改进?还是即将有革命性技术诞生?如果是的话,那么需要多久才能等到?

  未来远景扑朔迷离

  首先,我们来考察一下现有锂离子电池化学性质的改进。一个趋势是向镍锰钴阴极过渡,这种阴极的能量密度更高且单位能量输送成本较低。另一个趋势是向超密集锂空气电池过渡(特斯拉拥有该领域的专利,而其他研究者也取得了巨大的进展)。同时,随着供应链效率的提升(以及中国量产能力的提高),锂离子电池的成本继续显著下降。很多观察员预计未来几年内成本将下跌50%之多。

  但未来远景扑朔迷离:下一代革命性的锂电池会是什么样子?如果真的发生的话,它们从哪里来,又将在什么时间到来呢?一个可能的选项是更安全、密度更高(同等体积下能量密度最多提高一倍)、更持久但目前价格高昂得多的固态电池。这类电池很可能需要在某些设备中站稳脚跟才能实现规模效益并推动降价。这类电池可能还需要4-5年的时间才能应用于智能手机之上。锂硫电池是另一个选项,其能量密度比锂离子电池高出四倍而且材料成本较低。虽然正在取得进展,但仍有重大的技术和安全问题需要解决。

  电池创新进程将加速

  长期以来,电池技术与材料科学息息相关,即需要对元素周期表中的各种元素加以组合并进行性能检验。如今,我们实现了几年前无法实现的化学性质研究方法。高性能超级计算可以让我们每秒进行千万亿次计算,在虚拟世界中将各种元素组合成化合物并快速进行性能检验。它们能否传输光和电?它们是否易于成型或脆裂?虚拟化合物可以在真实世界中被转化成实际化合物并做进一步测试。研究者认为现在可以将产品投放市场所需的时间缩短一半。

  更先进的电池技术

  预计超级计算机将在未来五年内开始进行‘假设’计算,从而实现与人类似的推理,且该类推理数量也更多。正如美国能源部在一份研究和技术综述中提到的那样,“物理理论、先进计算机模型和广泛材料属性数据库将结合起来,通过优化成分和加工方式来形成预期结构和性质,加快设计出性质适合特定应用的新材料。”

  这有望大大加快新电池技术投放市场的过程。未来十年内很可能会诞生先进得多的电池技术,尽管它们的基础技术可能现在仍不明确。

  最近几十年里,镍在支持电池供电的生活应用方面发挥了关键作用。在可以预见的未来,镍仍将继续发挥这种作用。

  免责声明:本专栏所含资料由国际镍协会出版的《镍杂志》提供,仅供读者一般参考之用,未取得专业意见之前不应针对特定应用采用或将其作为依据。国际镍协会及其成员、职员和顾问对本专栏的准确性、完整性或是否适合于一般或特定用途不做声明或保证,不承担与本专栏所含资料有关的任何责任,包括但不限于任何偏差、错误或遗漏。

  本专栏中如以任何商品名、商标、制造商或其他名称提及任何具体商品、工艺或服务,不一定表示或暗示该商品、工艺或服务获得国际镍协会的认可或推荐。本专栏所含资料版权归国际镍协会所有,未经允许不得转载。


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