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鈉離子電池:電動車的未來新趨勢

(德國之聲中文網)電動汽車,尤其是使用可再生能源发電的電動車,被視為是有助全球氣候保護的未來模式。但多年來車商在電池技術中采用的是稀有且相對昂貴的鋰,拖慢了全球大規模普及電動車的步伐。

雖然電動車、商用車或電動自行車正如火如荼发展,但投入使用的範圍有限。高昂的價格、繁瑣的充電設施以及需要消耗大量原材料的電池生產過程,阻礙了電動車的快速发展。想要讓電動車被廣泛使用,車商必須推出更強力持久、更具可持續性以及價格低廉的電池。

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如今電池技術有望實現突破!未來的電動車或許能采用價格低廉且節省資源的鈉離子電池取代鋰電池。

鈉取代鋰

鈉離子電池或許是一個可行方案,近期鈉離子電池的研发也出現驚人進展。在可預見的未來中,鈉離子電池將能取代鋰電池被用於電動車、智能手機或筆記型電腦中。

鋰和鈉這兩種堿金屬擁有非常相似的化學特性。雖然與較為稀有的鋰相比,鈉的能量密度較低,但鈉的取得更為容易,價格也會相對低廉。

有望取得突破

目前鈉離子電池的性能仍比鋰電池落後約20年。原因是研究人員在過去十多年間只專注於開发性能更強的鋰。

但如今不僅出現了具有開創性的科學出版物,而且也有非常多極具前瞻性的原型:根據一份五月份发表的報告,一顆由韓國研发的鈉離子電池在經過約500次完整充電循環後,其電池容量才下降至原先的80%。由一個美中研究小組開发的另一種電池,在相同的電池容量下約能完成450次充電。而一個中國制作的鈉離子電池雖然容量較小,但在經過1200次12分鐘快充後,還有70%的電池容量。

聽上去或許不多,但實際使用時這些電池或許能承受更高的充電次數,因為日常生活中一般不會將電池耗盡後才充電。在實驗中進行完全放電和充電,對電池的損耗更大。

此外,鈉離子技術不需使用緊缺資源:制作陰極無需稀有的鋰鹽,只要食用鹽便足夠。高性能的陽極可以使用褐煤、木材和其他生物質制成。在生產過程中也不需要鈷或類似的稀有物質。

突破性的基礎研究?

鈉具有兩項缺點:其重量比鋰高三倍,所以盡管鋰電池的鋰含量占電池總重不到5%,一個鈉離子的電池仍會比鋰電池更重。

此外,鈉電池的性能較弱。由於鈉離子的載電量比鋰電池少0.3伏,無可避免地會損失約10%的能量密度。最重要的是,目前電池的石墨陽極無法讓足夠的鈉駐留。

根據德國德累斯頓的亥姆霍茲科研中心(HZDR)領導的德俄工作小組所发表的報告,納米碳有助於改善此問題。報告指出,采用超薄碳材料雙層石墨烯,可以在陽極中儲存比石墨更多的鈉離子。

如果未來能置換現今常用的石墨陽極,將石墨烯電極裝設在鋰電池中,或有望能顯著提升電池容量。

HZDR的物理學家克拉申寧科夫表示:”這就如同將小球放在兩張紙之間。不斷在紙張間添加小球,紙張會被越推越開,兩張紙之間的縫隙會隨之增加。”

相通的技術?

若多層結構的鋰電池可行,是否也適用於其他堿金屬如鈉?一組來自德勒斯頓、斯圖加特和莫斯科的工作小組希望利用覆雜的超級電腦模擬找出答案。因為迄今的鈉離子電池原型的運作並不順暢,原因是鈉只能勉強進入石墨陽極。

電腦計算結果顯示,鈉就如同鋰一般,可以以多層結構被嵌入石墨烯層之間。

若將來以石墨烯電極替代如今的石墨陽極安裝在鈉離子電池中,或許能實現更高的儲存容量。

上述研究結果或許能為開发價格低廉的鈉電池提供突破口。克拉申寧科夫表示:”我們的工作是純理論性的,我們不主張根據這個研究結果在可預見的未來中開发新一代的電池。但或許我們的研究能給工程師提供有趣的新思路。”

未來電池

令人欣喜的是,鈉離子電池已不再只是一個理論概念。相關技術的突破似乎已近在眼前。

最新的研究結果表明,目前已經有切實可行、價格合理而且節省資源的替代品可以取代昂貴的鋰電池,甚至可能通過多層結構提高其性能。

距離鈉離子電池技術的完備、進行量產並用於電動車或手機上,肯定還需要一段時間。但一旦時機成熟,由於技術相對類似,將生產線從鋰電池轉為鈉離子電池基本上應該沒有太大問題。

 

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