世界迫切需要更廉价、更安全、原料更可持续的电池,那么——谁来取代锂电池?

  我们的生活离不开锂电池,手机离不开它,笔记本电脑离不开它,数量越来越庞大的电动汽车更是少不了它……这意味着人类对锂的需求是无止境的,所以,锂会变得越来越稀缺。


  如果用一些常见的材料替代锂,那会怎样?多年来,人们一直在研究基于普通食盐或氯化钠的电池,如果成功,我们最终可能走出锂的瓶颈。

  锂电池的优缺点

  要了解食盐如何能够拯救我们,首先要了解电池工作的原理。

  我们可以把电池想象成一个部分是电、部分是化学的装置。事情从电池的阳极开始,阳极由一种可以释放电子的材料制成,在锂电池中是锂。当你打开任何连接到电池的设备(如手机),设备就会从电池中吸走电子,为自己供电。同时,在失去电子后,锂原子变成带正电荷的锂离子,从阳极出发,穿过电解质,移动到阴极,吸附在阴极材料的孔隙里。这样,从里到外,构成一个循环电路。

  最终,阳极的电子将被耗尽,这时你会看到屏幕上闪烁着电量不足的图标。但是,对于充电电池来说可喜的是,这个过程是可逆的。通过连接到外部电源,一切都会逆转过来:锂离子流回阳极并与新电子重新结合,变成锂原子,为新的一轮放电做好准备。智能手机上使用的典型的锂电池,可以被充电500次左右,性能才会明显下降。


  虽然很多材料也能充当阳极,但锂的优势是它比任何其他材料都强大。在元素周期表中,锂出现在第一组金属的顶端。这一组金属包括锂、钠、钾等元素,它们的原子都容易失去最外层的一个电子,带上+1价的电荷。锂是其中原子量最小的,因此在相同重量下,锂电池可以比同类金属制成的电池拥有更大的电容量。这就是为什么锂电池对于我们如此重要的原因。

  但是,开采锂矿会造成严重的污染;而且由于需求量大,很可能会让锂变得稀缺;此外,锂电池中使用的阴极材料——钴或者锰镍合金,在地球上也是稀缺资源。所以,如果有一种更丰富的材料可以代替锂,当然是我们求之不得的。

  材料取之不尽的钠电池

  单看一眼元素周期表你就会发现,位于锂正下方的钠,与锂有着几乎完全相同的化学性质(只是更重),有可能成为锂的替代品。钠是组成食盐的元素之一,在地球上取之不尽,用之不竭。

  没错,由于钠的原子量比锂要大得多(两者原子量比是23:7),要想获得与锂电池同等的电容量,钠电池势必要重得多。这对于手机、电动汽车等移动设备,固然是不合适的,但对于不需要经常移动的设备,譬如用于储存太阳能和风能的电池,重一点并不要紧。

  不过,要制造钠电池,并非简单地用钠取代锂就完事。相反,电池中三个组件——阴极、阳极和电解质,都必须重新设计。

  首先是阴极。在锂电池中用钴等金属做阴极。但在钠电池中,要换成镁、铁和铜等金属。好在这些金属都很普通,这一点不难办到。

  其次是阳极。在锂电池中,用石墨棒吸附锂离子。但石墨的孔隙对钠离子来说太小了。目前,科学家正在尝试用合金或碳的其他形式(如活性炭),来代替石墨。

  第三,即电解质,是最具挑战性的。问题是,在各种金属离子的电池中,电解质都会与阳极和阴极材料发生反应,生成物覆盖在上面,形成镀层,从而降低其性能。这种情况也发生在锂电池中,但对于锂电池不是个问题,因为该镀层在第一次充电之后就能保持稳定。而在钠电池中,这一镀层会越积越厚,从而严重影响电池的寿命。

  但是,2020年美国华盛顿州立大学的一个团队报告说,他们研制出一款钠离子电池原型,其电容量与锂电池相当,而且可以充电1000次以上而保持性能稳定。他们是如何做到的?由于涉及专利,他们没有透露更多的细节。

  如果这项技术成熟,钠电池虽然不太可能完全取代锂电池,但至少可以减轻我们对锂的严重依赖。最重要的是,用食盐这样取之不尽的资源储存电力,这对于我们是极大的鼓舞。

  锂电池的“终结者”

  锂电池的电解质是易燃的液体,所以锂电池容易燃烧或爆炸,不能携带上飞机,不能在高温下使用。

  但是最近,2019年诺贝尔化学奖得主、锂电池的发明人之一约翰·古德诺,发明了一款不寻常的电池。这种电池以固体的玻璃为电解质。玻璃里面掺杂了一些可以导电的金属离子,所以能当电解质使用。至于具体原理,因为涉及专利,目前还没有公开。

  据称,玻璃电池可储存的电能是同体积锂电池的2倍,寿命可达150年,可充电2.5万次以上,充电速度是锂电池的6倍。电动汽车只消充电几分钟,就能跑上千千米。而且,玻璃电池安全性能好,里面没有易燃物质,可以在极低温和极高温下使用。

  这种性能好得出奇的新型电池,被一些人视为锂电池的“终结者”。

  有了这些备用材料,我们就不用担心锂资源稀缺了。

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