改变世界的未来技术:固态电池有望很快成为现实
出品:放牛班的秘密花园
来源:Medium
编译:Sail2008
责任编辑:Sunnisky
米粒大小的固态电池
在大公司和科技牛人的加持下,用不了几年,实用型固态电池就可能问世,并将带来一场能源革命。
有一项即将到来的技术创新,一旦向公众发布,将带来一场期待已久的能源革命,它就是固态电池。
它将比目前市面上的任何产品都安全有效,不仅涵盖电动工具、玩具、笔记本电脑和智能手机等普通生活领域,还将给许多特殊领域带来深远的影响,比如医疗设备、宇宙飞船和以摆脱对化石燃料的依赖为目标的创新汽车设计等。
与核聚变发电一样,固态电池被认为是未来技术,不属于今天,但在固态材料方面的进展和投资在过去几年有了大幅提升。如今随着众多大公司和科技牛人参与其中,我们似乎在未来几年内就能看到这些电池产品的发布。
电池储存化学能并将其转化为电能,它有四个主要部分:阴极、阳极、电解质和隔膜。阴极和阳极是电极,当电子从带负电的阳极传递到带正电的阴极时,就产生了电流。电解质溶液使带正电荷的离子在两个电极之间流动,从而平衡了电子的流动。而隔膜把两个电极分开,防止电池发生短路。
现有电池和未来的固态电池有一个重要区别:电解质。
目前的锂离子电池都是液态电解质。可惜液态电解质中的某些化合物会长出被称为枝晶的晶体结构。枝晶有长而尖的晶须,会刺穿隔膜,导致短路,从而导致危险的爆炸。
浅灰色晶体结构是锂电极内形成的枝晶
而固态电池,顾名思义,拥有能抑制有害枝晶生长的固态电解质。
这种电池有较高的能量密度,火灾和爆炸的风险大大降低,占用空间更少,能在更广泛的温度范围内工作。
到目前为止,电动汽车最大的缺点是其有限的行驶里程。一辆普通电动汽车充满电后可行驶250-300英里(402-483公里)。汽车完全充电需要1 到17个小时,具体时间取决于是在加油站充电还是在家里使用标准插座充电。
电动汽车预计将继续受到欢迎,并将最终主导汽车行业。为了达到这一目标,它们的续航里程需要扩大到至少450英里(724公里),同时还要让消费者买得起。
使用固态电池又会怎么样呢?
电动汽车的行驶里程将是目前的两到三倍。企业可以选择制造更加小巧且充电更快的电池,或保持电池尺寸不变,但续航里程要大得多。充电时间也将减少到15分钟。
三星开发的一种固态电池充放电次数超过1000次,每次充电可行驶500英里(805公里),电池寿命可支持行驶50万英里,并且能在更极端的温度下高效工作。
这或许是汽油动力汽车的终结。而对笔记本电脑和智能手机来说,这意味着设备很快就能充好电,充电一次就能使用好几天,电池寿命从2年增加到10年以上。医疗设备将变得更加轻便小巧,而更大的温度范围意味着固态电池可应用于未来的空间技术中。
这一巨大潜力没有逃过大公司的眼睛。大众、福特、宝马、现代、丰田和比尔·盖茨都在固态电池技术研究上投入了数十亿美元。
比尔·盖茨投资的QuantumScape公司制造出具有陶瓷层的固态电池,这种电池能防止枝晶生长,同时能工作在较低温度下。丰田计划到2025年限量推出固态电池汽车。
QuantumScape的车间
而最令人兴奋的突破来自一个你或许从未听说过的人。
由物理学家John Goodenough领导的研究团队提交了一项玻璃陶瓷固态电池的专利,它是通过在电池中添加钠或锂形成电极来实现的。这种电池稳定,不易燃,充电更快,储能能力是普通锂离子电池的3倍多。
这种电池价格便宜,预计能持续充放电超过2000次。这种玻璃陶瓷电池的工作温度范围为-4华氏度 ~ 140华氏度(-20摄氏度 ~ 60摄氏度)。
Goodenough可不是普通的科学家,他获得过包括诺贝尔化学奖在内的8个科学奖项。他改变世界的创新包括发明了锂离子电池和电脑运行所需的RAM内存。他以及许多大公司的参与使固态电池变得触手可及起来。
John Goodenough
我们可能只需3、4年就能看到这项技术的有限发布,尽管它何时能在更大范围内向公众发布还很难说。
电池代表的不仅仅是方便,它是着拯救世界的一个关键因素。性能更强的电动汽车将给汽车市场带来一场巨变,从排放量更大的汽油汽车向电动汽车的转变。固态电池还可以用环保材料生产,比如在丰富的海水中发现的钠。
但也许最重要的是,固态电池的到来将标志着人类最聪明大脑的能力:将一项我们知道几个世纪、梦想了几十年的技术变成现实的能力。
John Goodenough
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