怎样审视干流锌阳离子电池组的现况与发展前景？
近年来，对安全可靠电池组的需求在急剧增加，这主要是虽然采用锂阳离子电池组的各式各样电子系统不时出现大火。引起这类大火的主要原因是高度可燃的氢氟酸，避免这类事故就要采用不可燃的氢氟酸。在这方面，采用还原染料氢氟酸的锌阳离子伊瓦诺电池组众所周知。虽然没核爆的脆弱，它被认为是替代锂阳离子电池组最有希望的候选之一。 9月初，美国国家科学研究执委会（National Research Council，NRC）在一则新一代锌阳离子电池组，无核爆或着火的脆弱的该文中介绍了消除了原有锌阳离子电池组不足之处的锌阴极处理技术的进展。 该文说，韩国科学技术科学研究院（KIST）锂离子科学研究中心的Joong-Kee Lee教授党委的科学研究小组合作开发了新一代伊瓦诺电池组，此种电池组采用锌合金做为阴极，没任何核爆或着火的脆弱。此种电池组足够安全可靠，可以戴在身上，因此可以制成颗粒状，这意味着将来有可能将其用作可佩戴设备的控制器。 然而，做为原有的锌阳离子电池组的核心材料的锌阴极存有所谓的难题，因为它在还原染料钙中抵挡着连续锈蚀。除此以外，当锌阳离子储存在阴极时，它会以侧链（神经颗粒状）的形式累积成固体，并导致阴极之间的漏电，使效率锐减。人们试图透过譬如锌合金配合物、表层薄膜和花纹改变的方式进行各式各样科学研究来化解该难题，但在运输成本和时间方面存有很大限制。 由KIST的Lee教授党委的项目组合作开发了一种持续性阴极水解方式，该方式涉及反复允许和避免电阻在合金阴极表层上的流动，进而成功与此同时控制了二水解钛膜侦测器的表层薄膜形态和花纹花纹。 采用此种方式，KIST科学研究项目组透过在锌阴极逐步形成最上形菱形的比藏西县花纹，减缓了电化学变化期间枝晶的生成。根据持续性阴极水解方式，覆盖八边形菱形下部的二水解钛较薄，而前部较薄。宽度的变化促使锌合金在具有相对较薄的二水解钛层的另一侧蓄积。虽然在阴极上垂直累积，枝晶难题一直没化解，但所讨论的新技术使得锌合金膜在阴极表层上沿水平方向生长，因此能够有效地减缓枝晶的产生。在表层上逐步形成的二水解钛膜阻止了与钙的直接接触，进而与此同时避免了锈蚀和副产物的出现。 透过这项科学研究合作开发的锌阳离子伊瓦诺电池组在1000次循环中仍保持了近100％的容量，即使该电池组在极端条件下（9000 mA/g，完全充满和放电大约2分钟）重复充电和放电，也具有结构和电化学稳定性。基于此种稳定性，KIST科学研究人员制造了一种具有柔性纤维形式的锌阳离子伊瓦诺电池组。除了很容易弯曲（锂阳离子电池组不能弯曲，受外力作用容易漏电）外，它还可以用于衣服、袋子（如果用织物制成）。 Lee教授说：本科学研究合作开发的高性能锌阳离子伊瓦诺电池组不会出现锂阳离子电池组与人体接触相关的任何潜在风险。我们希望它做为新一代对人体安全可靠且不会引起任何核爆或着火脆弱的伊瓦诺电池组而受到关注，因此其出色的电化学性能可与原有的商用电池组相媲美。看来，基于出色的稳定性、改进的电化学性能和简单的工艺，将有可能使其制造工艺在现实生活中实际应用。 锌电池组替代锂阳离子电池组的脚步 20多年来，锂阳离子电池组在充电电池组市场上堪称一枝独秀，而用锌电池组取代锂阳离子电池组的脚步也一直没停止过。 目前锂阳离子电池组在各式各样可充电电池组中显示出最高的能量密度、循环稳定性和能量效率。然而，锂阳离子电池组的致命缺陷之一是安全可靠难题。安全可靠事故的高风险归因于可燃的有机钙和阴极材料与钙的反应引起的热失控。此外，虽然特殊的电池组组装技术、制造过程中的严格干燥环境要求以及过渡合金、有机钙和锂盐的高价格，使得锂阳离子电池组的成本相对较高。此外，有机钙的有限阳离子导电性要求锂阳离子电池组设计采用薄阴极，以实现高功率、高能效。 尽管应用广泛，但锂阳离子电池组不能弯曲、不耐高温、容易着火等安全可靠隐忧一直没化解。锌电池组没这样的困扰。 对比一下传统锌电池组和锂阳离子电池组：电压分别为1.5V和3.7V；锌电池组不能重复采用，锂阳离子电池组可以充电重复利用；锌电池组容量较小适合电阻小的用电器，锂阳离子电池组容量大适合电阻大的用电器。 虽然锂阳离子电池组的可燃性，早已在美国海军舰艇和其他军事平台上已经被禁用。2017年4月，美国海军科学研究实验室（NRL）化学部的科学研究人员合作开发出了一种可充电锌电池组，称此种锌电池组比锂阳离子电池组更安全可靠。 该科学研究显示，可充电锌电池组的容量和锂阳离子电池组相仿，但成本更低，速度更快，体积更小、重量更轻，可望应用于混合能源车、电动汽车、电动自行车，甚至手机和大规模储电设备。 电池组技术公司EnZinc的CEO Michael Burz表示，他们正在测试和推广这项技术，希望能够取得良好的效果。他说，锌是大量、安全可靠且可回收的合金，北美就有开采。它具有较高的比能量和能量密度，非常适用于电池组。EnZinc将成为第一家提供可充电锌基电池组的公司。想象一下，同一里程的成本只有一半，满足全电动汽车，混合动力汽车和带启停发动机的汽车需求，基于3D锌的电池组将以较低的成本提供所需的功率和续航里程。它们的重量更轻，更安全可靠且可回收。锂主要由玻利维亚和中国提供，价格很昂贵，因此随着全球需求的增加，锂的价格可能还会上涨。用于锂阳离子电池组阴极的钴价格昂贵且资源有限。 美国海军科学研究实验室先进电化学材料部门的负责人Debra Rolison认为，锂阳离子电池组的最大弱点是容易过热，甚至着火核爆。美国海军一直希望寻找一种替代锂阳离子电池组的技术，以避免锂阳离子电池组的不稳定性对军人和武器的潜在危害。锌电池组的着火脆弱性远远小于锂阳离子电池组，单位体积和单位质量锂离子不低于锂阳离子电池组。此外，锌在地球上的储量比锂要多，也便宜得多。因此，锌电池组是很有希望的新一代可充电电池组。 然而，长期以来，锌电池组被认为是不可充电的，因为仅仅几轮充电后，锌电池组内部的两阴极之间就会产生导电细丝，最终出现两极漏电。而这次，美国海军科研项目组透过将锌阴极做成多孔海绵状结构，找到了一种减缓电池组内部导电细丝产生的方式。这样，在电池组的充电放电期间，电阻在锌阴极上的分部会更加均匀，因此导电细丝难以产生。 据介绍，锌以开孔海绵形式存有，即连续接线的结构。与典型的粉末或浆料形式不同，电阻在充电和放电过程中可以不间断地流动。热点无法逐步形成，枝晶无法生长，就不会出现阴极开裂。 锌电池组能够以铅酸电池组的成本提供锂阳离子电池组的电量，因此可充电，更安全可靠，原材料更丰富。锌是地球上储量第4位的元素，年产量1400万吨。 更为奇妙的是，锌电池组的可用尺寸几乎没限制，从纽扣电池组、消费电子产品、电动汽车、大型锂离子站，都可以采用。 美国海军实验室成果转化办公室的Steven Marquis表示，EnZinc已获得锌镍电池组在电动汽车领域的产业化授权。科学研究人员仍然在探索其他材料，比如，银锌电池组的电力是锂阳离子电池组望尘莫及的，因此很有希望应用于海军的水下潜航设备。 2018年4月，在美国陆军科学研究实验室（ARL）和国家标准与技术科学研究所（NIST）通力合作下，美国马里兰大学（UMD）A. James Clark工程学院的科学研究人员的科学研究小组发明了一种水溶性锌电池组，它具备强大的电量、可反复充电且从根源上保证电池组的安全可靠可靠，有望成为目前广泛采用的锂阳离子电池组的理想替代品。 科学研究人员将旧电池组技术（合金锌）与新电池组（盐包水钙）结合在一起，采用新型水性钙替代传统锂阳离子电池组中采用的可燃有机钙，进而创建了更安全可靠的电池组，透过添加合金锌提高了水性电池组的能量。 ARL教授后科学研究员Fei Wang说：还原染料电池组对于避免电子系统着火可能至关重要，但直到现在，其能量储存和容量都受到限制。我们首次拥有了一种可以在能量密度上与锂阳离子电池组竞争的电池组，而没核爆或大火的脆弱。 科学研究人员说，新型含水锌电池组最终不仅可以用于消费电子产品，为汽车和电网储存提供低成本、安全可靠的替代方案，还可以在极端条件下采用，以改善对安全可靠至关重要的车辆性能，包括航空、军事和深海环境。 2019年12月，香港城市大学师生科学研究出一种还原染料锌电池组，以柔软和安全可靠作卖点，有望用于佩戴式电子产品等部分用途，挑战锂阳离子电池组的地位。目前此种还原染料锌电池组已在少量试产。 香港城市大学科学及工程学院副教授支春义说：锌电池组已有百年多历史，是世界上第二种商业化的电池组，只比铅酸电池组稍迟。不过，以往的锌电池组主要是一次采用。此外，以往的锌电池组的充放电性能一直不理想，充放电次数太少。 3年多前，支春义和一批教授生开始科学研究还原染料锌电池组（其钙含水），初期遇到很多困难。那时的还原染料锌电池组只可充放电100次至300次。两年前，他们弃用强碱性钙，改用弱酸性钙，并将其中一个阴极改用纳米二水解锰材料，取得重大突破，将充放电次数大增至1000次以上；而且在充放电1000次后，其储电量仍然可以维持在最初的97%。 此外，虽然还原染料锌电池组的钙含水，所以其本质就不可燃，比锂阳离子电池组的有机钙更安全可靠。经过改良后，在极恶劣的工作环境中，如撞击、切割、火烧、弯折等，他们研发的还原染料锌电池组也不会核爆或着火，并能够继续提供稳定的控制器，安全可靠程度大大提高。 参与研发工作的教授生李洪飞和唐子杰均认为，1996年锂阳离子电池组才在移动电话市场兴起，至今不过20余年，在电动车市场的历史更短，所以锂的产量暂时没难题。但随着部分国家限期停产燃油车、全面转为纯电动车，可能引致锂产量不足和价格上升的难题。锌储量较多和成本较低，锌电池组未来的前景值得看好，相信一定可以在充电电池组市场上占据一席之地。 商业化需要制定标准 今年8月，美国陆军科学研究实验室和马里兰大学的科学家提出了一系列策略，以帮助可充电锌合金电池组实现商业可行性，并与其他锂离子技术竞争。 许康教授项目组发表在《自然能源》杂志上的该文指出，可充电锌合金电池组（RZMB）为原有锂阳离子电池组和新兴锂合金电池组提供了引人注目的补充，可以满足未来不断增长的锂离子需求。最近的多项报道表明，优化的钙透过实现极为可逆的镀锌/剥离，库仑效率（CE）接近100％，化解了RZMB的一个世纪挑战难题。 但，目前已发布的测试方式和条件之间的差异严重困扰着钙性能的比较。缺乏严格和标准化的协议已迅速成为正在进行的科学研究和商业化努力的障碍。 他们认为，在统一的条件下缺乏标准的CE测定协议，妨碍了钙系统之间的有效比较，这是目前阻碍类似电池组商业化的原因。该文解释说：这不仅在准确评估技术状况方面造成了公众困惑，更重要的是，它阻止了科学研究人员合作开发和评估新材料，也阻碍了向最有前途的系统分配资源。 做为一种替代方案，他们建议采用恒电阻蓄水池CE方案，因为该方案具有电阻密度、面积容量和上限截止电压的标准参数。他们将此种溶液定义为一种强大的筛选工具，用于测量锌体系的商业可行性，并建立对电镀/剥离可逆性与锌形态、枝晶逐步形成和循环寿命之间联系的更好的理解。 写在最后 还是未知数 电池组技术在不断发展进步，锂阳离子电池组也在针对可燃性的缺点做出改进，另一方面，人们也在发现新的材料。 锌电池组是否能成为替代锂阳离子电池组最强劲的对手？让我们拭目以待！ 围观网友互动现场，请戳：