第一次飞跃:锂离子电池
时至今日,绝大多数的新技术都要求电池具有更加紧凑的设计、更加充沛的电力、更好的安全性,还需要电池能够充电再利用。
1980年,美国物理学教授John Goodenough发明了一种新型的锂电池。在这种锂电池中,锂能够在电池中以锂离子的形式,穿梭于两个电极之间。
锂是周期表中最轻的元素之一,同时拥有着极强的电化学势,这两点优势使得它能够以最小的体积提供最高的电压。
而这一点正是锂离子电池的基础。在这种新电池中,锂和过渡金属(比如钴,镍,锰以及铁)与氧的化合物作为阴极。在外加电压之后,再次充电开始,带正电的锂离子从阴极迁移到石墨材料制成的阳极,重新变为金属锂。
因为金属锂有着极强的电化学推动力,所以金属锂极容易被氧化,它会迁移至阴极并再次成为锂离子,将外层电子交给过渡金属离子(比如钴离子)。在这一循环中的电子移动为我们提供了我们所需的电流。
第二次飞跃:纳米技术
由于过渡金属的加入,锂离子每一个小单元都能够提供更高的能量,但是反应活性的提高也会带来负面效果,电池会更容易受到一种被称为“热散逸”现象的影响。
在90年代,索尼生产了一种氧化锂钴电池(译者注:这也是第一款商用锂离子电池),但是严重的“热逸散”导致了很多这一型号的电池着火。如果这一问题无法得到解决,那么为了获得更好的反应活性,使用纳米材料制作电池阴极的设想也就无从谈起了。
这一次,站出来的依然是Goodenough。他引入了一种由锂、铁以及磷酸盐构成的新的锂离子电池阴极,这种稳定的电极是电池技术的又一大飞跃。
伴随着新电池的不断发展,很多新应用也应运而生。从电动工具到混合与电动力汽车,我们都能够找到锂离子电池的影子,或许其中最重要的应用,将是为住宅提供家用电能。
无线电动工具的出现要感谢充电电池的进步。Flickr/People s Network, CC BY-NC
电动汽车
在电动汽车领域,领头羊是有名的Tesla公司。Tesla公司计划修建“Giga-plants”(Giga是10的9次方的意思,就是1GB里面的G,来源于希腊语,巨大的),以生产适合用于电动汽车的大型电池。
Tesla Model S型汽车装备的锂电池电池组容量已经达到惊人的85千瓦时。