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替代锂电池?钠电池还需“穿越”一段悠长隧道

北极蚊子 2017-12-19 11:16

众所周知,锂离子是手机、笔记本电脑和汽车电池中的活性成分。但考虑到锂的成本较高,研究人员们一直在寻找另一种更为丰富的元素来替代它。随后,一些初创公司和老牌企业将钠离子视作活性成分以开发充电电池,钠是锂在元素周期表上的“邻居”。

除了钠的易得性之外,它还有其他几个重要的特性 - 其中最重要的是它的耐火性。“当然,它还可以存储与锂电池相当的能量,这是个不错的选择。”斯坦福大学研究钠电池的 Minah Lee 说。

如今,许多公司正在开发钠电池,其最终目标是取代锂电池。法国国家科学研究中心(CNRS)最近就宣布成立了一家坐落于亚眠的创业公司 Tiamat,该公司将在 2020 年开发钠电池并向市场推出。CNRS 表示,它会被设计成 18650 那样的尺寸型号。

还有一家名为 Aquion 的美国创业公司,它以高容量海水电池储存能源为核心,Bill Gates 和 Kleiner Perkins 起初为它出资 1.9 亿美元。不过,这家公司随后的发展甚至走上面临破产的窘境,在 7 月份,Juline Titans LCC 以 916 万美元将其收购。

与此同时,一些大学的研究人员现在正集中研究将电池中的锂元素换成钠元素。科学工作者的优势在于,他们可以使用大型仪器(如加速器)来研究阳极材料及其功能。

“我们可以清楚地了解钠的实际去向——无论是在细微的原子层面(如何与其他原子结合)还是更宏观层面——以及电极粒子吸收钠离子时它所产生的变化。”斯坦福大学负责 SLAC 国家加速器实验室的研究员Michael Toney 是其中之一。

不过,在学界和企业纷纷做出研究尝试之际,电力公司和汽车电力系统制造商对钠电池的认可度却不高。它们更愿意坚持使用锂电池。 “锂离子电池技术现在的成本在各种市场上都非常具有竞争力,” Dosima Research 的电池专家 David Snydacker 解释,“所以,新的钠电池要想获得成功,它不仅要先与传统技术竞争,还必须与锂电池竞争,这是一个很高的要求。”

钠电池一个尚未解决的问题是找到或创造一个高容量阳极,即电池的负极。比较符合要求的一种材料是硬碳,它允许在原子间的空间中存储钠离子。“锂离子电池使用的是石墨,但这不适用于钠离子,”Toney 说,“但我们使用了硬碳,尽管这不是最理想的,也没人真正了解这种材料。”

可扩展性是硬碳的一个重要特征。“我们可以重新调整不同尺寸的电池,这种电极材料的重点是其可持续性。它以生物量为基础,所以如果用量更大的话,你可以物尽其用。”Lee 说道。

而为了寻求市场的认可,另一个决定因素是可以用现有工业生产线来生产钠电池。“对钠电池的处理方式应该与锂离子电池的非常相似。”

所以,钠电池可能会从现有生产线中诞生,但问题是要等到什么时候?一种设想是钠电池实际上是很经济性的,但这种观点现在依然没有定论。

与 Tiamat 相关的研究人员虽然已经将 2020 年作为投入生产的最后期限,但他们是否会达到这一目标还有待观察。 法国亚眠大学的 Mathieu Morcrette 坦承,“还有很多工作要做,我们还没有达到目标。”

另外,钠比锂更便宜的说法在一开始至少也并不成立。 Snydacker 表示:“钠的价格确实比锂更便宜,在不使用锂的情况下,成本可以降低 5% 到 10%,但是其余的成本将会相当昂贵。但他对未来是乐观的。

“对钠电池技术而言,在长长的隧道尽头会有一道光亮,”他说,“一旦所有的投资到位,就会有一个价格合理的优质产品诞生。新电池技术面临的主要挑战并不是制造工艺难以开发和建设,而是与那些经过深入研究和打磨的技术相比,新电池技术无论是在性能还是成本方面,从根本上都不占优。”

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