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吐槽贴。。。
结论一:无负极电池是一个概念上的根本错误。
结论二:原新闻耍了一个文字游戏,其实就是把负极减薄,很薄很薄就等于“无负极”了吗?扯~
结论三:这个报道的电池使用的是具有严重安全隐患的锂金属作负极,这早就被业界所抛弃。


作为搞锂电的,我对这种层出不群的忽悠实在有点出离愤怒了。%&$#@。。。现在静下心来说几句。
点击进入第一条新闻“能量爆棚!无负极锂电池将问世”,看到的是什么,是文字游戏。“一种超薄到近乎没有金属负极”=”无负极电池“吗?人不可以这么无耻,忽悠也要有点底线出点本钱。人家打磨摩托罗拉的芯片最起码还出付出了钳工师傅的汗水,特么现在已经到只用语文知识就可以搞锂电池了。
我不知道是谁首先提出这个概念的,我也不想浪费时间去搜索(狗屎需要一定要吃下才能尝出是狗屎吗?对不起我又激动了)。首先如果有人认为电池可以“无负极”,请回去学习中学化学的电化学内容。电池为什么非要有正极,为什么非要有负极呢?是因为电池是储能装置,储能时把电能转化成电化学能储存(充电过程),再把电化学能转化成电能(放电做功过程)。电化学能的储存和转化其实是我们学过化学都可以理解的一个过程——氧化还原反应。放电时,电子通过外回路进入正极(电流流向负极,这是定义的电流方向),如此则正极材料被还原,与此同时电池内部为了平衡正极过多的负电荷,正离子(如锂离子,氢离子)必须进入正极;对于负极来说,放电时电子从负极材料释出进入外回路,负极材料被氧化,电池内部为了平衡负极过多的正电荷,正离子从负极脱出。充电的过程只是把这些反应逆过来进行就可以了。如下图
以上这个过程讲起来是很拗口,尤其对那些对电化学不是很懂的同学。但是只要学过化学,就可以理解电池储能其实就是个氧化还原反应过程,能量的储存和转化没有什么神奇,就来自于反应的自由能。所以有氧化就必须有还原,有失电子就有得电子,那么现在大家就可以理解了,为什么“无负极电池”整个在概念上就是扯淡。没有负极了,那你把负极的氧化反应(放电时)扔到另一个平行空间了吗?这样还是电池?如果谁真的牛B弄出个“无负极电池”,大可以不必叫电池这么老土的名字(从伏打就开始叫了,又老又土),作为一种全新概念的储能方式,那诺奖不搬给你搬给谁?



话说回来,看起来其实这帮MIT的人也不敢欺师灭祖,没有敢说他们弄出了一个“无负极电池”,其实只是一个“负极很薄很薄的电池”,所以加个引号变成“无负极电池了”。这是一个好思路啊,以后如果我们能做出很薄很薄的电池,我们就可以加个引号说我们的手机是“无电池手机”了对不?学着点吧。。

话再说回来,一看第一条新闻那个图我就笑了。solid energy的“无负极电池”是啥?原来就是Li金属作负极+LiCoO2作正极的电池,只是把Li负极给做薄了。这种电池的构架和正负极材料不是10后,不是00后,不90后,也不是80后,是七十年代锂电池刚诞生时(更准去一点说是钴酸锂刚被用作电池正极材料时)的样子。在这里我要引用电池领域内著名的不忽悠大牛(注意这个定语,业界良心),加拿大Dalhousie大学的Jeff Dahn教授的一句话,Am I a dinosaur? 这是他在那个批评锂空气电池的著名ppt里讲的,批评近几年一窝蜂涌入电池界、不懂行也不调研、只知道炒概念、甚至不知道他们炒的概念早就被工业界实践证明没有前途还在像发现新大陆一样继续炒的人!这句话用在这里实在太恰切了。为什么呢,容我慢慢道来。


锂金属是金属里面密度最小(最轻,如果不考虑氢“金属”),而且电极电势最低的金属。这也是为什么几十年前研究固态电池时大家一下子就首选了它。电极电势最低,所以是最理想的负极材料(因为为了提高储能的能量密度,除了提高容量也要提高电压,当然选最低的负极)
几十年前的人一点也不笨,刚开始人家就选了锂作负极,所以最初(可充电)电池不叫锂离子电池,叫锂电池,因为负极用的是锂金属。工业界也做出了产品,如下图,加拿大的Moli公司生产的电池:

Li/MnO2 rechargeable cell, Moli Energy about 1989

但为什么后来大家都不用性能这么好的锂金属作负极了呢?两个字,安全!锂金属作负极一个致命的问题就是安全,会燃烧会爆炸。为什么呢?因为锂金属会与non-aqueous电解液反应,一般来说理想的情况是这样的反应会在负极锂金属上生成一层passivation layer来阻止锂金属的进一步反应。但往往实际发生的情况会偏离我们的想象:充电的时候锂离子回到负极,没有老老实实变回“平平”的锂金属层,而是会沉积成一种叫“枝晶”的东西(下图),这种东西一旦形成,由于其表面自由能利于继续生长,所以每次充电就会助长这些枝晶的长大,最后这种锂的奇葩就会刺破隔膜接触正极——想象一下如果电池内部连一根导线接通正极和负极是什么情形——没错,就是短路。有机电解液都是易燃物,以后的事我就不用再解释了。




下面看看加拿大Moli的悲惨故事:

Dec. 1988 - 2 Million Li/MoS2 cells in the field
(NEC laptop and NTT Cell phone)
- Spring 1989 - Li/MnO2 cell ready to go
- Spring 1989 - Safety incidents in the field
- Summer 1989 - We understand theproblems
- Summer 1989 - Complete recall of all phone
packs and Moli goes into receivership.
- Spring 1990 - NEC and Mitsui buy Moli.

就是因为这个该死的锂金属做负极。但是收购Moli的日本人,延续了他们一贯一根筋轴到死不见棺材不落泪的精神,做了这些:

NEC and Mitsui insist on the "Confirmation Test“ when they purchase Moli in 1990.
500,000 cells made, each individually x-rayed for
manufacturing defects.
50,000 cell phone battery packs built and cycled
under low rate conditions. (Over 5000 chargers
built for the task.)
After 1.5 years of assembly and testing many
serious failures.
NEC and Mitsui decide to abandon Li metal cells
FOREVER.

(此部分全部材料来自于Jeff Dahn教授吐槽锂空电池的著名ppt,almaden.ibm.com/institu,版权属于Dahn教授)

确实佩服鬼子们,看看今天谁能为了Confirmation Test,做500,000 个cell,每一个用x射线扫defects. 再来50,000个的手机电池测试,整整搞1.5年,最后结论就是这个是好疼的坑(囧)。联想到于此同时索尼扔掉了锂金属,换成石墨做负极,整出来了锂离子电池,占领了市场。。。NEC心里不知道怎么想的。。

所以,锂金属作负极在电池工业界是一个滑铁卢般经典的案例,现在每当电池工业界的行内人(尤其是鬼子们)听到有人忽悠锂空气、锂硫电池时,他们的嘴边都是扬起一丝残忍的微笑。锂空锂硫这些东西,且不说自身那一堆“极其具有挑战性”的问题(其实有些说白了就是无解),他们的“巨大潜力和光明的未来”全部基于这样一个假设,就是锂金属可以作负极(否则那些高容量高能量密度都是虚幻)。联系到我刚才讲的那些,很多人就知道为啥可以放心呵呵了。

当然我的意思不是说这些领域就没有价值了,而且很多人现在掉头回来开始大力研究如何才能解决锂金属作负极的一些问题。但是这个领域确实挑战绝大,需要突破,我觉得不是弄些纳米的玩意来各种保护(某坦著名教授已经发文表示他们用纳米方法如何如何,我似乎已经评价过了),应该在电解液方面下大功夫,找到稳定的电解液(有机大牛们似乎对这一块不敢兴趣,几十年了还是用那一堆碳酸和醚)或固态电解液。只要锂负极有所突破,那么现在电池的性能马上能上一个大台阶。

对于本题的“无负极电池”,通过我这么一通牢骚,大家大概应该理解了。其实用的还是钴酸锂作正极(现在业内开始寻找代替这个又贵且毒的东西,不过人家性能确实好),用锂金属作负极(开玩笑)的一个原始概念。而且这样一个东西,体积能量密度也不高,有人算过LiCoO2+石墨体系的体积能量密度是1450 Wh/L(基于最理想的状态,Assume perfect, zero thickness separator),而且LiCoO2和石墨体系无论从安全、成熟、产业化方面都更强。

Donald R. Sadoway 是MIT材料系著名的教授,一直是在研究金属液流电池。这个人很能说,演(hu)讲(you)能力超强,MIT最火课的老师之一,TED上有他关于自己液流电池的演讲大家自己去搜。由于他是冶金出身,所以自己喜欢介(chui)绍(xu)他的金属液流电池可以理解。他的社交能力超强,连比尔盖茨都对他感(bei)兴(hu)趣(you)。他经常靠踩着锂电来兜售自己的概念。他那个液流电池嘛,他说用作大规模储能电池如何如何好,但是业内普遍的看法是:牛皮吹太大,性能并不怎么好。但是他毕竟是MIT的教授,我不知道他对这个“无负极电池”的概念什么贡献,最起码那个液流电池比这个靠谱一万倍。

油价又降了,看来我们这些搞新能源动力的日子又要不好过了。。。
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首先呢,题主这个题目还是蛮吸引我的,把开题的东西一弄完,我表示我就来凑一答了,谢邀~
其实开始看到这个题目我还是蛮兴奋并且失落的,兴奋的是这么好的东西我咋最近看文献没看到呢?失落的是,我去,我这研究方向不是砸了么,都要商业化了!
然后,我怀着批判的精神慢慢往下看,嗯,先不发表评论,我就贴一些事实。
首先,通过楼主提供的链接找到sadoway.mit.edu/wordpre(Qichao Hu简历)和Donald R. Sadoway Resume简历,看了下,特别是作为SolidEnergy的创始人Qichao Hu的简历,咱们详细看看他发表的文章。
可以看到,除了第一篇文章和电池有关,大部分是做锂电池的隔膜的。好,我们现在再来搜索第一篇文章“A Safe and High Energy Density Polymer Ionic Liquid (PIL) Rechargeable Lithium Metal Battery Capable of Wide Temperature Operation链接(google 请自带工具)和学术搜索“A Safe and High Energy Density Polymer Ionic Liquid (PIL) Rechargeable Lithium Metal Battery Capable of Wide Temperature Operation截图如下
并没有发现他的文章,和任何有关的详细内容的报道,如果你们知道文章的来源请告诉我。然后,我找到了SoildEnergy的主页,Solidenergy Systems Corp 找到如下截图
也并未发现什么有价值的信息,基本的原理和测试方法都没有完整的表述,所以这让我也很困惑,后一张图暂且不说,有用但没有价值,后面会提到。
我又回到他们的专利,发现唯一一篇专利Patent WO2013134566A2 Rechargeable lithium battery for wide temperature operation,大体是介绍一种有机电解质层的,所以并不太相关,看到这里,我相信大家应该心中有一个答案,我并不知道他的种种测试如何得出,也不能说绝对,如果你们知道请告诉我,我很想学习一下。
再说到就是科普时间,上面很多答案都太臆断了,我并不太清楚这里为何他用到的是体积能量密度。总所周知,大部分的科学研究中,科研工作者都比较爱采用mAh/g来作为单位,这里也有一些表供大家参考。




很抱歉,不是学习锂电池理论的,不太清楚如何将质量能量密度和体积能量密度进行转换,所以,我们只能大体通过这样的方式进行对比,不过理论是理论,看下图
我并不知道1337Wh/L是指的全电池的体积能量密度还是电极部分的,如果是后者,这并不算一个十分出众的成绩,新型锂镍氧-石墨的体系都可能超过,更别提下一代可能作为负极材料的Si材料了。如果是全电池,在现有的商业电池中算是最出众的了,不过他做的也是软包电池,这里猫腻有点大,就不细表了。
最后提一句,从电池能量密度提高以及技术成熟度的角度,预计今后电池发展的顺序依次是采用高容量电极材料的下一代锂离子电池;采用金属锂负极,嵌入化合物作为正极的可充放锂电池;采用金属锂、铝、 镁、 钠为负极,S、H2O、O2 为正极的金属燃料电池。该类电池电池算是下下代的产品了从他的结构图可以看出它是用锂金属作为负极的,我个人还是比较看好的,只是商业化还有一定的路要走,毕竟作为手机电池你不会那么容易就把电池壳给戳破吧。但是谈到革新,这还有很长一段路要走。
参考文献:
彭佳悦, 祖晨曦, 李泓.锂电池基础科学问题(I):化学储能电池理论能量密度的估算[J].储能科学与技术,2013,2(1):55-64