制造更好的电池

电池是如何成为如此重要的能源的?它们的未来又将如何发展?
2023年5月9日
提出的克里斯•史密斯
生产会刺痛

德州仪器电池充电

电池电量指示器

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随着全球电力供应转向可再生能源,电池正迅速成为最重要的电力存储形式之一。那么我们是如何走到这一步的,电池还需要如何改进,我们能否在不久的将来乘坐电池驱动的飞机?

在这一集里

柠檬电池

00:50 -什么是电池?

什么是动力电池,它的化学原理是怎样的?

什么是电池?
戴夫·安塞尔,肖恩塞尔

首先,我们需要确切地了解电池是什么。1800年,当第一块电池被制造出来的时候,问这个问题的人应该是意大利化学家亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta)——我们从他那里得到了“伏特”这个词——他把一堆铜和锌板堆在一起,证明了它们能发电。我们没有Volta,但我们有下一个最佳人选:令人敬畏的科学传播者和示威者,前裸体科学家戴夫·安塞尔,带着柠檬出现的人。你带着礼物来了。

戴夫——我带来了很多柠檬。

克里斯-你和他们在一起干什么?

戴夫:所以我想我们可以从重现沃尔特最初的实验开始。我有一些铜,一个铜钉,你以前用来固定在石板上的,还有一个镀锌的钉子。只是一个标准的钉子。我有一个柠檬,它们用电线连接到一个电压表上,电压表基本上是用来测量电流在电路中被推的强度。如果我把铜钉和锌钉放进去…

克里斯-戴夫正在把两个钉子塞进柠檬里。我不会把它用在鸡尾酒里。现在它里面有锌了。但它们靠得很近,它们相距大约厘米,它们有鳄鱼夹将它们固定在你的电压表上。我现在看到电压表上的读数从0到0.94伏特

戴夫-是的。差不多一伏特。

克里斯-那柠檬里就快冒出一辆伏特了。

戴夫:所以不像你在商店里买的电池那么多,但它能产生电流。

克里斯-那为什么当你插入这两种金属时我们会看到电压呢?如果你现在用两个相同的会发生什么?因为我注意到你和沃尔特一样用了铜和锌的钉子。为什么是两种不同的金属?

戴夫:那么,我们可以试着放两根一样的钉子进去

克里斯:两个锌钉进去,上面说没有电位。

戴夫-是的。那么在这种情况下会发生两种化学反应。在锌原子上,有一个化学反应锌原子失去电子而铜原子得到电子。实际上很可能是氧化铜得到了电子然后变成了铜。这两个反应不能单独发生因为锌失去了电子而铜得到了电子。所以它们能继续运动的唯一方法就是把电子推到电路的另一边,然后再推到另一边。

克里斯-我明白了。所以如果两个金属相互接触,物理接触,电压表上不会记录电压因为它会从一个金属跳到另一个金属。锌想要失去这些电子然后溶解。而铜离子想要抓住它们摆脱表面的氧化铜变成铜。因为它们是分开的。

戴夫:是的。因为它发生的唯一途径就是推动电子。如果他们碰了,那就很糟糕了。这在船上是个大问题。两种不同的金属相互接触。你有一个电池,它会使电池变平,你很快就会氧化你的船。

克里斯-柠檬是做什么用的?

戴夫-所以它让它平衡电荷。所以你必须在电路中推动电子,但是如果你不小心的话,那么一边会带很多正电而另一边会带很多负电。所以柠檬,它所做的就是让带电离子,也就是带电原子,移动来平衡电荷。它不一定非得是柠檬。我这里有一些咸纸,你会发现它的效果是一样的。

克里斯:你的万用表差不多有0.9伏了。所以它只是一种能力一旦你溶解了一些锌,你就可以把溶解的锌拿出来然后更多的锌就可以溶解了。它不会因为试图溶解锌而变得拥挤铜也一样。

戴夫:同时,锌离子的一端逐渐变得越来越负而另一端则逐渐变得越来越正。你必须平衡电池,你必须平衡电池内部的电量。

克里斯-否则就没有电流了。很明显,我们不会用挂着钉子的柠檬给电子设备供电。所以当我们看到一个紧凑的电池我们应该严格地称之为,我们把它放入电话或电视遥控器或其他东西,实际上发生了什么,为什么你看到不同的味道?有人说是碱性电池,有人说是氯化锌电池。我是说这是怎么回事?

戴夫:基本上有很多不同,如果你使用不同的金属,就会得到不同的电压。所以我们可以尝试,不用锌,我们可以用一些不锈钢,它会产生一个非常低的电压,现在是0.15伏。

克里斯-是的,你几乎什么都没有。

戴夫:所以如果你想使用不同的电压,你可以使用不同的化学物质,不同的化学物质可以在相同的空间储存不同数量的能量。大而时髦的锂铁电池的工作方式与这种简单的方式截然不同。它们不是化学反应。你有一堆锂离子,它们更喜欢在一种材料中而不是在另一种材料中。所以自然地,它们想要从一个流向另一个,但是你可以通过充电把它们推回去。如果你让电流流动,它会再次回流。所以它就像一个可充电电池。

Chris -所以我们的目标是尝试探索金属的新组合或化学排列,试图在你想要的电压和它能储存的能量之间找到合适的折衷方案。

戴夫:另外,还有很多非常邪恶的东西在发生,因为不一定有一件事,一种反应在发生。可能会有数百种其他的小副反应发生,而且它们经常会对你的电池造成严重破坏。所以实际上大部分的研究都是在生产一种电池,这种电池可以持续1000次循环。而不是仅仅工作两次,然后放弃鬼魂去做别的事情。你做了别的东西,它失败了,停止工作了。

一排双A和三A电池。

06:34 -电池是如何征服世界的?

是什么让电池融入了我们生活的方方面面?

电池是如何征服世界的?
杰伊·特纳,华盛顿大学

一个被控制的化学反应是如何从这些原始的开端发展成为世界上最重要的能源之一的呢?威尔·廷格尔采访了历史学家、《冲锋陷阵》一书的作者杰伊·特纳。

杰伊-锂离子电池实际上可能是最近的电池化学物质之一,从20世纪90年代开始才真正商业化。所以,从历史上看,并没有那么长。最早的电池,我的意思是那些在19世纪后期成为商业可用的电池它们是我们所说的锌碳电池。现在它们是一次性干电池,你可以插上插头,然后处理掉。非常不同。

威尔:是什么让电池变得如此普及,如此完全地融入我们的日常生活?

杰伊:通常当我们想到20世纪的能源故事时,我们会想到化石燃料,想到煤、石油和汽油,想到它们是多么具有变革意义,但是你知道,电池扮演了鲜为人知的角色,但关键的作用是使技术和现代基础设施通信和运输成为可能,因为它是使用电池转动汽车钥匙和启动汽车的能力,这使得它如此容易使用,汽油或电池提供了这种便携式电力,可以为便携式电子设备供电。所以它们不能提供大量的能量,但事实上,电池提供了一种可储存和即时可用的能量,这使得它们非常有价值。所以我认为这就是为什么它们在我们所知的现代生活中变得如此重要。

我们真的不能低估电池对我们所有人的重要性。这是一个科学的奇迹,我们可以有一个小圆柱体,我们可以随身携带,并在几乎任何地方激发能量。这种能量对于电池的大小来说已经很不错了。但是,锂离子电池已经存在了30年,与围绕它的微芯片和微处理器(比如我们的手机)相比,它表面上保持相对不变,这一事实有什么可说的吗?

杰-对。我的意思是,这是一个非常有趣的问题,因为,我发现很有趣的一件事是,你知道,电池已经改进了,对吧?他们一年比一年好。我的意思是,如果你以锂离子电池为例,在1995年到2010年间,一个基本锂离子电池的能量容量在那段时间里增加了两倍。但是你知道,在同一时期,微处理器技术的进步是数量级的,甚至比这还要大。所以我认为当你拿智能手机来说,我们现在可以用智能手机做的事情比20年前多得多,或者我应该说十年前。但这不仅仅是因为电池变得更好了,这很重要。但是微处理器的进步意味着我们可以从电池中获得有限的能量,由于计算效率的提高,我们可以做更多的工作。所以我想我从这个问题中得出的观点是这不仅仅是电池的问题,对吧?电池供电的其他技术的进步也同样重要。 So it's the efficiency of the microprocessors or the efficiency of the, the motors and the vehicles that batteries are being used in. That's important too .

威尔:因为我们有了这个手机,这个放在口袋里的现代奇迹,它可以向太空发送信号,并立即与另一个世界的人联系。普通用户对它最大的抱怨是电池消耗太快,或者随着时间的推移电池寿命越来越短,因为它会退化到未经训练的非化学家的眼睛,这是一样的,电池虽然有这么多的奇迹,但似乎是科技链上较弱的环节之一。是电池本身很好,但因为它们包含的组件比其他所有快速创新的东西都要少吗?有一点可能它被落下了。

杰-你说得很对。你知道,我认为电池已经足够好了。它们绝不是完美的,但它们足以使电动汽车或便携式通信技术或所有其他应用成为可能。当我回顾电池的历史时,它基本上是一个不断累积的小进步的故事。这只是电池材料和结构上的微小调整造成了这些差异。但是当电池化学方面有重大进展时,它们真的从根本上改变了我们在现代技术中使用电池的方式。所以,回顾一下历史,对吧?你有那些早期的锌碳电池,然后是铅酸电池,这是大多数车辆的启动电池。这是从20世纪20年代开始发展并大规模部署的。然后在20世纪50年代和60年代你看到了更先进的一次性电池,碱性锰电池。 Those are the AAs that we think of today. And then in the 1990s, that was when lithium ion batteries really began to emerge. And so lots of incremental advances, but then these moments when there have been new battery chemistries that have been put on the market that have become incredibly important to modern technology.

威尔:说到现代技术,围绕电池未来的许多焦点将不得不涉及将它们整合到可再生电网中。如果我们想要最大限度地利用现有的可再生能源那么围绕电池是否存在一些必须克服的问题?

杰-是啊。电池正在并已经在实现可再生能源转型中发挥着重要作用。而这只会在未来十年扩大规模。如果我们要走向无碳经济,就必须扩大规模。我认为,在我看来,最大的挑战是迅速扩大电池的规模,并在一定程度上支持这种转变。一方面,这意味着我们将能够摆脱对化石燃料的依赖,从公共卫生到稳定全球气候,这在各个方面都非常重要。但是,零碳排放意味着大量其他材料的使用。这意味着更多的镍,锰,石墨,当然还有锂。因此,在我们逐步淘汰化石燃料的同时,我们要仔细考虑如何采购这些材料,如何建立这些供应链,如何确保透明度和可持续性,以及这些材料在使用寿命结束时可以重新使用。我的意思是,这些挑战和我们从一开始就摆脱对化石燃料的依赖一样重要。

威尔:现在你知道了电池的所有历史,你认为未来在哪里?

Jay:哦,我想更多的是相同的<笑>,很多小的增量进步,因为我们等待下一个电池化学是一个重要的进步,这将取代现在无处不在的锂离子电池。

电池的水平

14:11 -电池改进的未来

制造更好的电池需要哪些步骤?

电池改进的未来
路易斯·派珀,华威大学

在技术创新方面,电池似乎落后于潮流。但这是一个公平的评估吗?当我们越来越依赖电池的时候,我们能做些什么来改进电池呢?和我们一起讨论这个问题的是华威大学的路易斯·派珀。

说电池有点落后是一个公平的评价吗?

路易-我可不这么认为。自从1991年第一批锂离子电池用于便携式摄像机以来,我们已经看到这些产品的生产成本下降了98%。价格从每千瓦时5000美元降到今天的每千瓦时100美元。我认为这是一个结合了杰伊提到的便携电子和电气化的所有应用的例子。在这个案例中,大量的制造业规模确实发挥了作用。例如,随着电气化的发展,我们看到2015年50%的电动汽车的价格基本上是电池组价格的一半。这就是电动汽车如此昂贵的原因。现在我们看到2023年的预测,我们预计电池组价格将大幅下降,这样电动汽车在性能范围和成本方面就能与汽油车相提并论。

这些是技术专家、工程师、化学家追求的主要东西吗?现在,当人们展示一种电池时,他们会说,这就是我们现在所处的位置,我们的目标是什么?我们希望在未来五年内解决哪些问题?

路易斯:嗯,我认为电池是化学问题和制造问题的复杂结合。所以我们总是试图平衡五个关键组成部分。我们想要增加能量密度,我们想要增加功率。这就意味着我们可以储存多少能量以及我们使用能量的速度。但我们也必须平衡成本。这是一个关键的组成部分。生命周期,我们提到我们希望这些能运行几十年。第二个要素是安全。因此,在这个复杂的等式中,我们需要确保我们提出的提高能量密度和功率的解决方案能够与大规模生产相兼容。我们需要为我们所有的应用提供无处不在的电力和能源,无论是便携式电子设备还是可再生能源的电网规模解决方案。

克里斯-没错。当然,可回收性也必须在这个等式中发挥作用,着眼于未来的可持续性,不是吗?那么人们是如何处理这个问题的呢?他们是把问题分解成一系列问题,一次解决一个问题,还是很多人同时探索不同的问题?人们是如何改进我们现有的电池的?

路易斯:是的,这是一个很好的问题,因为在行业中存在各种各样的路线图,特别是在汽车行业,这是不同大公司试图争夺解决方案的关键领域。我们之前说过,电池是由有效和不活跃的组件组成的。然后你要把化学反应分开。其中一个关键的事情是你可以把你的电池看成有活性成分和无活性成分,为了增加能量密度,你想要增加你的电池和电池组的活性成分的比例,这是你的电池的组合。因此,工程师们一直在积极地减少包装的数量,减少非活性成分的数量,电池设计和电池与包装的比例,以实现这些改进,特别是在电动汽车方面。所以有一个组成部分。然后在化学方面,我们开始尝试回到我们最初采用锂嵌层电池的方式,他们有锂金属箔,效率很高。但问题是安全性和使用寿命。因此,很多研究活动,比如人们可能听说过的固态电池,或者新型后锂离子电池技术,比如锂硫或锂空气,这些都是人们想要回到非常薄的锂金属箔的地方。这是整个行业面临的一个非常复杂的研发问题。 How to get back to that and produce it at scale and cost that is competitive.

Chris -这很有趣,因为如果Volta在220年前出现在今天,看看电池,他会意识到他最初设想的是什么,不是吗,在大多数电池中。我们现在是否处于这样一个时刻,我们也开始在盒子之外思考,或者在电池盒子之外思考,我们提出了他不会认可的电池,我们如何进行能量存储和传输的全新设计?

路易斯-我想如果沃尔特现在看你是对的,他会发现有两种空间分离的化学反应促进电荷和质量的运动。但我想说的是,他会认识到我们在元素周期表中所做的是挑选像锂这样的元素。锂以及对储氢的兴趣。这些是最轻的元素,很容易释放电子。所以很难找到更好的元素。让他感到惊讶的是我们正在做的大规模的应用,我们制造了多少这样的电池,这些电池的制造和可靠性是多么的强大,以及我们如何在很大程度上认为它们是理所当然的,它们运行得多么好。

一架飞机飞过天空,身后留下了一条条纹状的尾迹云

19:59 -搭乘电池动力飞机

未来的航空旅行是电池驱动的吗?

搭乘电池驱动的飞机
Richard Wang, Cuberg

那么,假设我们发现自己处在一个快速充电、高输出、低退化电池的未来。这项技术可以开启哪些途径?我们已经有了电池驱动的汽车和船只。但是飞机呢?我们是否可以在不久的将来乘坐电池供电的飞机去度假呢?这是Cuberg公司的想法,这是一家位于加州的电池公司。他们的创始人是王理查……

理查德:电气化的最终目的主要是为了减少这些不同运输环节产生的碳排放。但是当你看一下航空业,它还不止于此。这可能是主要动机。但电气化还带来了许多其他好处,包括更低的噪音、更低的运营成本,因为燃料和维护成本更低。最终,这可以让你将航空应用到更广泛的航线上,更灵活地飞往较小的机场,较小的城镇,最终使人们的出行效率更高,成本更低。

克里斯:听起来不错,但问题是电池太大了。如果你看看,比如说,普通的电动汽车,它的重量是汽油动力汽车的两倍。所以你是依靠电池技术的进步来实现这个目标呢,还是你认为即使有了现在的技术,你仍然有机会实现这个目标呢?

理查德-我们的重点是开发更先进的下一代锂电池。为了实现电动航空,你最终需要很多不同于电池的东西。重量是最关键的铭牌度量,最终它是单位重量的能量和单位重量的功率。所以你能飞多远,你能在起飞和降落时足够快地获得能量,特别是对电动飞机来说,起飞时,给飞机提供动力吗?所以你需要一种非常特殊的电池,它能在一个相对小的重量中提供非常高的能量和功率。这就是我们真正关注的。当然,除此之外,你还需要合理的循环寿命和充电时间。在使用寿命结束时,你还需要能够有效地回收电池,这样你就有了一个完全可持续的解决方案。但最终,电池的重量以及它提供的能量和功率是成功的基本衡量标准。

克里斯-当谈到部署时,它是如何工作的呢?你会不会在飞机底部放上一堆电池然后它们会为飞机上的一堆发动机提供动力?它的工作方式是否能让人们认为它是一架现在有三四个引擎的飞机?还是我们要从根本上重新设计飞机的工作方式,因为我们不必处理现有喷气发动机技术的限制,这在一定程度上决定了我们迄今为止如何制造飞机?

理查德:目前有很多很多不同类型的电动飞机正在开发中。原因是这种自然选择和进化过程还没有完全完成。通常情况下,这些不是你会想到的喷气发动机飞机。它们更容易让人联想到螺旋桨驱动的飞机。不同之处在于,是的,你有电池,是的,你有电动马达驱动螺旋桨,但是因为你没有标准的动力系统,你有电缆传输电力。如果需要的话,在飞机周围的任何地方都可以安装更多的螺旋桨,这实际上更加灵活。这可以让你制造出更安静、更节能的飞机。它还可以让你制造飞机,不仅是标准的小型电动飞机,还可以制造一些更独特的垂直起降概念。想象一架直升机,但它有更多的螺旋桨,专为城市空中机动而设计,与直升机相比,它的飞行效率更高,噪音更小。

Chris -目前汽车技术的另一大限制是充电需要多长时间。很多航空公司,他们做的是快速返航的客运,他们可以在很短的时间内让飞机返航。我们能及时给电动飞机充电吗?或者你有其他解决方案吗?

理查德:当你看到充电基础设施时,通常有两种解决方案,要么在飞机上给电池充电,要么在飞行结束时尝试更换电池。到目前为止,我们在行业中看到的情况是,大多数公司更喜欢给飞机充电,而不是交换,因为交换带来了许多技术和监管方面的挑战。所以充电时间,并没有汽车那么重要,如果你在公路旅行,你只是坐在车里等它充满电,然后再出发。在典型的电动飞机商业模式中,通常你飞到最终目的地,你下飞机,然后当飞机在地面上时,你插上电源,你实际上必须清洁飞机,你必须装载乘客,卸下乘客,装卸货物,办理登机手续等等。因此,考虑到这些飞机的运行方式,快速充电仍然很重要,但不像汽车行业那么重要。

克里斯:你希望在什么时间尺度上完成这个项目?

理查德-我们相信,到本十年末,这些行业中的许多将实现电气化。尽管航空业在不同程度上发生了变化,但我们看到航空业正在发生巨大的变化,特别是对于飞行距离高达几百英里的小型电动和混合动力飞机,到2030年,我们可能会看到大多数飞机完全或部分实现电气化。

克里斯:对环境的影响,这样会更好吗?

理查德:有两个关键的原因,它会有显著的改善。其一,与燃烧相比,电动马达在能源利用方面效率更高。大约是效率的两到三倍。所以当你将其转化为推进力时,你只需要使用更少的能量。此外,当然,通过使用电力,假设你有一个相当清洁的发电电网,那么你也可以大大减少飞行本身所使用的能源的碳含量。因此,我们看到的是碳含量的大幅减少,与现有的内燃机汽车相比,类似于电动汽车所做的。

Chris:最后,最重要的考虑因素之一是你的速度有多快,这不仅是为了方便乘客,而且你的速度越快,阻力就越大,因此在我们目前的技术下,你会消耗更多的燃料。那么,我们是否会看到,通过这种技术,电气化,我们的速度和行程时间,就像我们现在使用化石燃料一样?

从速度或航程的角度来看,这些类型的电动飞机将无法与喷气发动机驱动的飞机竞争。这将是其他类型的技术,如合成燃料和氢,为未来更清洁的喷气式飞机提供动力。如果你看看电池飞机,它们将是螺旋桨驱动的,但话虽如此,从速度的角度来看,它们可能与现有的螺旋桨飞机相当。但好处是电动飞机更加灵活。所以不用去非常非常大的国际机场去你想去的地方,即使你不是去很远的地方,你也可以去当地的小机场,那里的登机时间和安检时间都要短得多。我认为,这实际上在节省时间方面比飞机本身有更高的好处。

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