改进锂离子电池

剑桥大学的克莱尔·格雷正在研究如何让这类电池变得更好……

克莱尔:我们正在研究各种不同的方法，其中一种是锂，我认为之所以是锂，是因为锂是最轻的元素。它是最易反应的元素之一，所以，从原理上讲，它能给你材料中最高的电压。还有一个与锂相关的庞大产业，因此，研究我们现有的技术并改进我们现有的技术非常重要。我为什么要这么做?所以，如果你用笔记本电脑里的材料，大多数笔记本电脑都含有这种材料锂钴氧化物。结果是你只能从钴酸锂中提取50%的锂在两件事发生之前。首先，如果你把所有的锂都拿出来，就会得到结构重排。所以，所发生的是这些层相互滑动，然后再把锂放回去就变得非常困难了。所以，这就意味着你必须在结构中保留一些锂。你不可能把它们都拔出来。 And so, we're carrying around 50% of dead weight in this lithium cobalt oxide that we can't use. And so, if we can figure out how we can make other layered materials cycle. So charge and discharge, pulling out all of the lithium, we would have a battery that would almost be twice as effective. So, that's reason number one. Reason number two is that lithium cobalt oxide, when you pull all the lithiums out, forms all cobalt 4 plus. Cobalt 4 plus is not a very stable oxidation state and it tends to lose oxygen. And so, it's this loss of oxygen, very rapidly associated also with heating and self-discharging that results in the safety instance and the fires that you may have seen on the web. And so, for safety reasons again, we only pull out 50% of the lithium. So, you've got this idea of the fact that you've got a fact of two just sitting in the materials we used today. If we could get that to work, that's the difference between a car which has a range of 100 kilometres going twice as far.

凯特-如果你坚持用锂，因为我们只有锂。这就是我们制定的商业模式，你还可以改变电池的哪些方面来提高它的性能?

克莱尔:好吧，回到批准电极本身的问题上来，我们讨论了锂钴氧化物。所以有些材料可以用镍和锰代替钴。而这些，不是每克电荷有140毫安，所以这就是每单位重量你能得到多少电子，它们可以让你循环到每克200和220毫安。所以，这是一个显著的进步。然后在阳极方面，一些人可以找到储存更多锂的材料和阳极。例如，我们正在研究的一种材料是硅。所以，硅可以让你每重量储存10倍的锂。所以，这是非常令人兴奋的。同时回到阴极，你可以增加容量，但你也可以提高电压来增加总能量密度。现在，要权衡的是安全，电压越高，氧化物质越多，风险也就越大。 But people are looking at trying to coat electromaterials and protect them in the same way that you might - you think about metal in the environment. You have a passivating coating on the copper on a church. And similar things, we're trying to coat the materials to protect them from these very harsh oxidising environments.

凯特:你刚才提到了很多不同的选择。你如何测试所有不同选择的有效性?你必须制造这种电池吗?你如何决定先测试哪种材料?

克莱尔:所以，有很多工作使用理论方法。现在你可以拿一个结构，你可以用第一性原理的方法来计算材料的电压。真正的挑战在于计算将锂从结构中取出的难度，因为锂必须穿过不同的孔。当它们从一个位点跳到另一个位点时，可能会有很大的激活障碍与之相关。换句话说，你必须提供额外的能量才能把它取出来。我们会在电池中以过电位的形式提供额外的能量。所以，一点点额外的电压就能把它踢出去那是低效的燃料电池。这些就是使用计算的挑战。所以，作为化学家，我们要做的是，有人走进实验室，制造新材料。所以，我们要做的一件事是不只是把钴的3 +变成4 +，我们要试着找到能改变氧化态不止1的元素。 So, we could nickel 2 plus to nickel 4 plus. At the same time, we need to be able to pull the lithiums out. So simply, if we're going to do a 2 plus to 4 plus, we need 2 lithiums. So, we can go in to the lab with those sort of design criteria and try and make materials that might fit that.

你们改进这些电池的极限是什么?

克莱尔:所以，我认为有一件重要的事情要记住，如果你有一种由原子和离子组成的材料，那么你只能从材料中的每个离子中抽出一定数量的电子。所以，如果是镍，很可能，它只能在2 +和4 +之间氧化。所以，关键是，对于单位质量的物质，只有一定数量的电子，这就给我们的研究方向设置了一个基本的限制。因此，我们可以玩游戏，我们可以找到更轻的材料，我们可以使用更大范围的氧化态，但我们所能做的是有一个基本的限制，我认为人们确实需要认识到，在我们如何向前发展方面，在开发电气化策略或设计新设备方面。

凯特·兰布尔与剑桥大学的克莱尔·格雷谈论她的工作。