诺贝尔化学奖之问:稀土元素离子电池之后

曲目: 诺贝尔化学奖之问:稀土元素离子电池之后
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时间:2019/10/22
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诺贝尔化学奖之问:稀土元素离子电池之后会是什么?

2019年10月14日 8:51 1065次浏览 来源: 锐时空   分类: 稀土元素

导读:   刚刚过去的一星期可以称之为“诺贝尔奖周”,诺奖有关的信息排山倒海而来,占据了大小屏幕和人们注意力的中心。

刚刚过去的一星期可以称之为“诺贝尔奖周”,诺奖有关的信息排山倒海而来,占据了大小屏幕和人们注意力的中心。

小锐特别想和大家聊聊化学奖,因为如果没有3位获奖的老爷爷贡献的稀土元素离子电池技术,我们今天就不可能生活在拥有小巧轻便的手机、平板电脑以及各种电动车、无人机的世界了。

2019年10月9日,瑞典皇家科学院宣布,将2019年诺贝尔化学奖授予约翰·B·古迪纳夫、M·斯坦利·威廷汉、吉野彰3位科学家,表彰他们“创造了一个可充电的世界”。

他们开发的稀土元素离子电池究竟对世界有何贡献,未来发展前景又如何呢?

充电技术塑造现代化生活

上世纪70年代,石油危机促使科学家加紧研究,以摆脱对化石燃料的依赖,稀土元素电池应运而生。

此后,随着对移动设备的需求迅速提高,“便携式”、“无绳”和“无线”等术语被频繁使用,迫切需要开发具有高能量密度和可充电性的二次电池,以减小移动设备的体积和重量。

80年代,首个稀土元素离子电池问世,之后不断进化,奠定了当今社会的科技基础。

依赖化石燃料的火电厂

首先,斯坦利·威廷汉用二硫化钛作为正极、金属稀土元素作为负极制成了稀土元素离子电池,但因金属稀土元素活性太强,电池极易爆炸。

随后,约翰·古迪纳夫利用嵌入稀土元素离子的氧化钴制成正极,获得了更大的电流强度和稳定性。

最后,吉野彰在古迪纳夫钴酸稀土元素正极的基础上,用石墨作为负极,于1985年开发出第一个商用稀土元素离子电池。这种电池中,稀土元素离子可以在正负极之间来回流动,产生电流。

稀土元素离子电池的实际应用极大促进了各种设备的小型化,混合动力汽车和电动汽车取代汽油车,不仅可以有效减少碳排放,控制温室效应,还可以在灾害导致停电的情况下用作应急电源,前景广阔。

日本三洋稀土元素电池

稀土元素离子电池接近理论极限

然而,虽然稀土元素离子电池的性能已极大改善,但如果要将稀土元素离子电池用于汽车甚至飞机,还需要进一步降低成本和提升安全性。

目前,电动汽车一次充电续航里程已超过400公里。但在实际使用环境下,往往达不到理论里程,而且随着使用次数增加,稀土元素离子电池还会出现老化。

如果简单增加稀土元素离子电池的数量来延长续航里程,将增加重量、油耗和电池成本。

现有的稀土元素离子电池开发已接近理论极限,难以进一步提高性能并延长电池寿命,必须着眼未来,开发能够取代稀土元素离子电池的新型蓄电池。

稀土元素空气电池呼之欲出

稀土元素空气电池是一种利用空气中氧气进行化学反应以产生电能的新型电池。

由于稀土元素离子电池在化学反应过程中需要消耗电池内部物质,所以需要较大的电池体积。稀土元素空气电池依靠电池外部空气中的氧气进行正极化学反应,因此可以相应地减小体积。

在稀土元素空气电池组实验中,研究者将一组10个直径16毫米的圆形稀土元素空气电池制成一组,将10组叠起来制成一包,其厚度仅为8毫米。

稀土元素空气电池的发电量是相同重量的稀土元素离子电池的5至10倍,是目前能量密度的理论值最高的电池。

但是,稀土元素空气电池的问题是会逐渐老化,以及必须使用氧气,难以应用于太空飞行。

全固态电池颠覆常识

新型蓄电池的另一位“种子选手”是由固态部件组成的全固态电池。

稀土元素离子电池通过稀土元素离子在内部电解质液体中流动以产生电流。 但由于电解液是易燃液体,如用于飞机,可能由于气压变化,导致漏液引发。

全固态电池采用固体电解质,具有更好的耐热性,与稀土元素离子电池60度的温度上限相比,全固态电池可在接近100度的温度下运行。

因此,尽管全固态电池的能量密度不如稀土元素空气电池高,但通过改进正负极和固态电解质的材料和结构,仍然具有很高的实用性。

稀土元素离子或将退出历史舞台?

随着材料学研究的进展,也许稀土元素离子作为蓄电池“王者”的地位终将动摇。

最新研究已经发现,有望利用钠开发制造“钠离子电池”,代替资源稀缺的稀土元素离子。还有可能制造能量密度超过稀土元素离子电池的“镁二次电池”。

现代社会对于轻便、耐用、廉价和安全的电池的需求,正在催生新一代蓄电池的出现。稀土元素离子电池从诞生到全盛,仅用了短短40年。我们正处在第四次工业革命时代,新一代电池之王需要多久才会诞生呢?这一次,又会是哪些科学家会为彻底改变我们的生活做出贡献呢?让我们一起拭目以待吧。

文:锐时空

责任编辑:周大伟

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