“偏科生”锂硫电池 ,太阳能无人机用它连飞11天!

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由于电子产品的广泛使用,以及当下新能源车的迅速普及,我们似乎可以这么说,过去没有哪一个时代,比我们现在更关心电池的能量密度了。

大众较为了解的三元锂电池,其电芯的能量密度可以达到300瓦时/千克,然而,一种技术还不成熟,且还未获得广泛应用的锂硫电池,能轻松实现600瓦时/千克的能量密度,而理论能量密度更是高得惊人!

国际电池材料协会发布的《锂硫电池白皮书》中指出,锂硫电池的理论能量密度为2600瓦时/千克!

如此诱人的能量密度,必然会吸引各国技术人员进行研究。今年2月29日,国家自然科学基金委员会发布了2023年度“中国科学十大进展”,一项有关锂硫电池的研究成功入选。今天,咱们就来好好了解一下这种电池。

同族元素

各种正在研究的电池中,要说能量密度最高的,其实还不是锂硫电池,而是锂空气电池,它的理论能量密度高达3500瓦时/千克以上,比锂硫电池的理论能量密度高很多。

其原理是以锂为负极材料,以空气中的氧为正极材料。放电时,氧气在催化剂的作用下与锂离子反应生成过氧化锂;充电时,氧化锂分解生成氧气和锂离子

毫无疑问,这种电池目前还存在大量的技术难点,比如:

▶放电时生成的氧化锂会沉积起来,继而阻碍电池的充放电效率。

▶空气中的水分和杂质会对电池造成腐蚀,缩短电池寿命。

因此,目前实验室在研究“锂空气电池”时,常常是在“纯氧”环境下进行的。也许未来会成功,但是目前,锂空气电池还不是我们能达到的成熟技术。

既然使用“氧气”作为锂电池的正极太超前,那么,是否存在稍微现实一点的材料呢?当然是有的。

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元素周期表,图片来自Wikipedia。

在元素周期表中,锂元素和钠元素属于同族元素,它们拥有相似的化学性质。因此,在锂离子电池广泛使用的今天,钠离子电池也逐渐走向了商用,且未来可期。

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元素周期表,图片来自Wikipedia。

在元素周期表中,氧和硫亦属于同族元素,两者具备相似的化学性质。既然“氧”在锂空气电池中可以作为正极,那么同族元素的硫,也同样可以作为电池中的正极——这便是锂硫电池。

锂硫电池的历史

锂硫电池的研究始于20世纪60年代。

1967年,Herbert和Ulam首次提出,可以将硫作为锂电池的正极材料。需要注意的是,此时提出的“锂硫电池”还属于原电池,也就是一次性使用的电池。

20世纪80年代,Plichta等人研究了锂硫电池的充放电机制。

20世纪90年代起,锂硫电池的研究取得了重大进展,能量密度不断提高。然而,锂硫电池的安全性和经济性比较差。

2014年后,锂硫电池开始小量进入尝试应用阶段。

大型太阳能无人机上的应用

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图为欧洲空客公司设计制造的Zephyr系列大型太阳能无人机,图片来自Wikipedia。

2014年,大型太阳能无人机Zephyr7,也就是“西风7号”,使用锂硫电池连续飞行了11天。Sion Power当时为它提供的锂硫电池,其能量密度高达350瓦时/千克。

似乎350瓦时/千克这个能量密度看起来一般般,但需要注意的是,这可是在10年前的2014年。彼时,新能源车才刚刚起步,那时使用的锂离子电池,其能量密度现在看来低得可怜。

虽然西风7号使用的是锂硫电池,较新的“Zephyr S”,也叫“西风8号”,其在2022年实现了64天的高空连续飞行,然而,在“西风8号”上却并未使用锂硫电池。这也从侧面说明,锂硫电池目前还处于小量尝试应用阶段。

2020年,装载了锂硫电池并由韩国航空航天研究所开发的高空太阳能无人机“EAV-3”,成功进行了平流层飞行试验。

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EAV-3太阳能无人机,图片来自Wikipedia。

在2020年的这次飞行试验中,EAV-3最高飞行高度为22千米。在总长为13个小时的飞行中,无人机在12千米至22千米高度的平流层中稳定飞行了7个小时。

锂硫电池优势

综上,我们可以看出,锂硫电池已处在小范围尝试应用中。跟传统锂离子电池相比,它有以下两大核心优势:

1、锂硫电池的理论能量密度远超传统锂离子电池。

10年前,锂硫电池就已经实现350瓦时/千克,而目前的传统锂离子电池也没有超越此能量密度。

能量密度又叫“质量能量密度”,它是指单位质量所具有的能量。例如:

两组质量相同的电池,A电池组的能量密度为200瓦时/千克,B电池组的能量密度为400瓦时/千克,那这就意味着:在相同使用环境下,B电池组的续航时间将是A电池的两倍。

飞行于两万米以上空气极为稀薄的大型太阳能无人机,它们极其在乎自身的重量,因此,它们在早期尝试使用了锂硫电池,而核心目的就是让电池组尽可能轻,同时储能容量尽可能大。

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黄色的硫磺燃烧时会融化成血红色液体并发出蓝色火焰。图片来自Wikipedia。

2、锂硫电池中的“硫”材料,价格极为低廉,且全球储量丰富。

若未来锂硫电池技术真的成熟了,获得大规模使用后,也不大会被硫的供应量和价格所限制。

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一名男子从印度尼西亚某火山中携带硫磺块,图片来自Wikipedia。

锂硫电池当前的困难

单质硫和硫化锂的体积差异悬殊,在电池的还原反应中,从单质硫变成“一硫化二锂”时会带来80%左右的体积膨胀。

▶体积膨胀

换句话说,锂硫电池的体积会比较大。如果是前面提到的大型太阳能无人机倒还好,因为其本身体积巨大,所以对电池体积的膨胀有不小的承受空间。

而换作我们身边常用的手机或汽车就有点让人头疼了,因为这两者都对电池体积的大小有限制,尤其是手机。

▶穿梭效应

体积膨胀并非最大的困难,锂硫电池目前最大的技术难点是“多硫化锂穿梭效应”。

锂硫电池在充放电过程中,中间产物多硫化锂会溶解在电解液中,并迁移到电池负极,继而与锂金属发生反应,生成新的硫化锂。这一过程称为“多硫化锂穿梭效应”,会导致电池容量快速衰减,循环寿命缩短。

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锂硫电池工作原理及“穿梭”效应,图片来自Wikipedia。

最新进展

为了解决当前的技术难点,研究人员需要对锂硫电池内部发生的化学反应了解得清楚一些,再清楚一些,继而才能针对性地解决问题。

然而,由于传统的原位显微研究技术的时空分辨率低,以及锂硫体系不稳定等因素,人们很难做到这一点。

2023年度“中国科学十大进展”中,来自厦门大学的廖洪钢、孙世刚和北京化工大学陈建峰等人,他们开发出了高分辨电化学原位透射电镜技术,对锂硫电池界面反应实现了原子尺度动态实时观测和研究。

更重要的是,近百年来,“电化学界面反应”通常被认为仅存在“内球反应”和“外球反应”单分子途径。

而这次,我国研究人员的研究揭示出还存在第三种途径,这就是“电荷存储聚集反应”。

无疑,这个新发现将为锂硫电池未来的设计提供指导。

参考资料:

[1]https://sionpower.com/2014/sion-powers-lithium-sulfur-batteries-power-high-altitude-pseudo-satellite-flight/

作者:寒木钓萌 科普作家、科技部“全国优秀科普作品奖”获得者

审核张海军 中国民航大学安全科学与工程学院教授、天津市应急管理学会副秘书长、波多黎各大学化学系博士后

出品:科普中国

监制:中国科学技术出版社有限公司、中科数创(北京)数字传媒有限公司

内容资源由项目单位提供

评论
科普:zhf
少傅级
预示着中国在锂硫电池技术方面取得了显著成就,并可能加速其从实验室走向市场的进程,随着持续的研发投入和技术突破,锂硫电池未来有望在多个领域带来革命性的变化。
2024-05-20
科普lyjzgf
进士级
随着研究的深入和技术的迭代,我们有理由期待锂硫电池在不远的将来能够在特定领域实现商业化突破,为清洁能源存储提供更加高效、环保的解决方案。
2024-05-20
张美玲L
进士级
太阳能是无尽的自然资源,其能量密度虽较低,但分布广泛且环保。锂硫电池作为新兴储能技术,具有高能量密度和潜在成本优势,未来在可再生能源领域大有可为。两者结合,将助力可持续发展,期待更多技术突破与应用。
2024-05-20