未来电动汽车的心脏——锂空气电池

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最近几年北京的雾霾天气越来越普遍,严重影响了人们正常的工作和生活,考虑到北京市区的工业企业不多,那么雾霾的主要来源就是成千上万的汽车所排放的尾气了。为了治理空气污染,北京市政府加强了电动汽车的推广,2014年的摇号新政为纯电动汽车单独安排了2万个号牌名额,并且在购车款方面提供了非常可观的政府补贴和减免税收政策。但是即使有如此优惠的政策,国产电动汽车的推广仍然是步履艰难,反而是外来者特斯拉通过豪华的设计和相当优异的续航表现抓住了高端用户的心,在北京的街道上大放异彩。为什么在电动汽车代替燃油汽车的道路上会如此荆棘漫漫呢?这一切都要从电动汽车的前世今生说起。

电动汽车的前世今生 

其实早在燃油汽车兴起之前,也就是十九世纪中叶到二十世纪初,机动车市场一直是电动汽车的天下。世界上的第一辆电动汽车于1859年被制造出来,驱动这辆车的动力来自于当时的“高科技”——铅酸电池。但是当内燃机的技术得到极大发展之后,燃油汽车逐渐占据了欧美的机动车市场份额,同时流水线技术的发明、石油开采技术的突破和加油站的迅速普及帮助燃油汽车在市场上迅速击败了电动车。

相比于燃油汽车,电动车在价格、充电时间、续航里程等方面都处于劣势。虽然电池技术在近两百年有了长足发展,从最初的伏打电池到燃料电池、铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂金属电池等,但是却都没有帮助电动车赢回哪怕一点市场份额,电动车除了在几次石油危机的时候有些许起死回生的迹象之外,在几乎整个20世纪都被人们遗忘了。

在进入21世纪后,一直以来都存在的石油资源紧缺和环境污染问题越来越严重,但是除了零星几家车企坚持投入资金研发新能源电动车外,各国政府在这个方面并无多大兴趣。而2007-2008年的金融危机引发的全球经济大衰退促使各国政府开始寻找新的经济增长点,新能源产业进入了他们的视线,电动车也就此迎来了自它诞生以来最重要的一次发展机遇。

我们说这次电动车面临的发展机遇很重要不仅是因为政府的大力支持和投入,更因为锂离子电池技术经过20多年的发展,已经能够较好地为电动车提供动力——现在的电动车新贵 Tesla Model S凭借应用先进的锂离子电池技术和电源管理技术,一次充电续航里程能够达到400多公里,完全能与传统燃油汽车相比拟。但是并不是现在所有市面上的电动汽车都具有和特斯拉一样的续航里程,这主要和它们所采用的动力电池的技术有关。

什么是动力电池 

动力电池就是指专门装配在电动汽车上,为汽车提供动力的电池,目前市面上的电动汽车的动力电池大部分采用锂离子电池,根据所使用的正极材料的不同,主要有以下几类锂离子电池应用在电动汽车上:镍钴铝锂(NCA)电池、锰酸锂电池、镍钴锰酸(NCM)电池、磷酸铁锂电池,他们在能量密度、安全性、寿命、价格上各有优势。其中电池的能量密度是指单位体积或者单位质量的电池能够储存的能量,这个参数决定了电动汽车的续航里程。虽然这几种锂离子电池的能量密度各有不同,但基本上都在200 Wh/kg以下,而且特斯拉400公里的续航成绩也极大地依靠于优异的电源管理技术和较轻的车身,在较好的工况下面得到的。受限于材料体系,传统的锂离子电池难以在能量密度上有数量级的突破,因此人们必须为电动汽车寻找更合适的电池体系。在人们已经探索的各种新型电池体系中,锂空气电池因为具有极高的理论能量密度(>5000 Wh/kg),而受到越来越的的科研工作者和企业研究人员的关注。

什么是锂空气电池 

锂空气电池在构造上与传统的锂离子电池相类似,都是由正极、电解质(隔膜)、负极三大部分组成,所不同的是正极和负极所采用的材料不同。

负极:锂金属。其实采用锂金属作为二次电池的负极材料,在上世纪70年代开始就有研究和应用。但是在应用过程中发现,锂金属电池在循环过程中会在负极生成枝晶,枝晶会刺穿隔膜从而引发起火、爆炸等安全事故。1989年加拿大Moli能源公司生产的Li/Mo2发生起火事故,此次事故处理宣告Li/Mo2电池的终结之外还直接导致了锂金属二次电池研发的基本停滞。在那次事故随后的二十年,便是我们所熟知的锂离子电池大放异彩的故事。但是,锂金属作为负极材料所具有的极高的能量密度使人们始终没有放弃它,特别是人们开始探索更高能量密度的电池体系时,锂金属负极必将扮演一个重要的角色,而另其在二十多年前退出市场的安全问题,相信在科研人员的强力攻关和已经今非昔比的技术条件支持下,终将能够解决。

正极:锂空气电池的正极部分利用碳材料或导电材料作为反应媒介,空气中的氧气作为正极活性材料参与氧化还原反应,因此锂空气电池又被人们称为“会呼吸的电池”。整个锂空气电池在放电的时候,电池的正极导电媒介部分从外电路得到电子,把电子输送给氧气,氧气在得到电子的同时与来自电解质中的锂离子反应,最后生成氧化锂(Li2O)或过氧化锂(Li2O2);而负极中的金属锂,失去电子,变成锂离子,溶入电解质中,被上述过程中所描述的氧气得到。这种电池体系的能量密度是很高的。

为什么锂空气电池具有极高的能量密度 

以传统的锂离子电池体系为例,在放电过程中能够释放的能量是与在这个过程中传输并参与反应的锂离子数量成正比。传统的锂离子电池的锂元素来自于正极材料,而在正极材料中同时也含有比锂重得多的过渡金属元素,这样一来,单位质量的材料中含有的锂元素的量其实是非常有限的。

在锂空气电池中,采用氧气作为正极反应物质,由于氧气可以从空气中源源不断的获得,因此此类电池在放电过程中所能释放出的能量与氧气能够得到的锂离子的数量是成正比的,而在这类电池中,锂完全来自于负极的锂金属,而锂又是世界上最轻的金属。

也就是说,电池体系的能量和所含有锂的数量是有一定关系的。那么我们再将锂空气电池和锂离子电池比较一下,锂空气电池的负极采用最轻的锂金属,而且能够全部转化为能量,正极反应物质则是空气中的氧气,不需要预先储备在电池中;而目前普遍使用的锂离子电池的负极物质不能转化为能量,正极物质仅含有有限的锂,而且比较重。因此锂空气电池具有极高的能量密度也就不足为奇了,理论上,电池中锂金属越多,锂空气电池的能量也就越多。

锂空气电池的现状 

虽然锂空气电池超高的能量密度如此诱人,但是距离实际应用仍然面临着诸多问题。首先便是采用锂金属作为负极后,在循环过程中生成的枝晶可能带来安全性问题,这是任何锂金属二次电池都需要解决的。其次便是锂空气电池放电过程中氧气和锂离子反应生成的过氧化锂或者氧化锂在充电的时候难以分解,这导致了较低的能量效率。目前科研工作者的研究表明,这个低的能量效率并不是锂空电池体系本征的缺点,是可以通过设计正极的导电网络结构和引入催化剂等方法来解决的,并且越来越多的研究小组开始研究锂空气电池,各种创新性的突破成果不断涌现,相信在不久的将来,锂空气电池就能够在电动汽车上得到应用了。

展望 

除了锂空气电池外,各种其他的金属-空气电池体系也不断涌现,比如钠-空气电池、镁-空气电池、铝-空气电池等,每一种电池都有其优缺点,并且如果我们过度依赖某一项技术必然导致资源的极度紧缺(比如锂矿资源)和价格暴涨,所以我们认为,未来的电动汽车技术一定是百花齐放的,不仅仅只是锂离子电池或者金属空气电池的天下,我们需要做的就是对这些新涌现的技术报以理解和宽容的态度。

[转载]Scientist: Four golden lessons

http://www.nature.com/nature/journal/v426/n6965/full/426389a.html

Steven Weinberg*

When I received my undergraduate degree — about a hundred years ago — the physics literature seemed to me a vast, unexplored ocean, every part of which I had to chart before beginning any research of my own. How could I do anything without knowing everything that had already been done? Fortunately, in my first year of graduate school, I had the good luck to fall into the hands of senior physicists who insisted, over my anxious objections, that I must start doing research, and pick up what I needed to know as I went along. It was sink or swim. To my surprise, I found that this works. I managed to get a quick PhD — though when I got it I knew almost nothing about physics. But I did learn one big thing: that no one knows everything, and you don’t have to.

Another lesson to be learned, to continue using my oceanographic metaphor, is that while you are swimming and not sinking you should aim for rough water. When I was teaching at the Massachusetts Institute of Technology in the late 1960s, a student told me that he wanted to go into general relativity rather than the area I was working on, elementary particle physics, because the principles of the former were well known, while the latter seemed like a mess to him. It struck me that he had just given a perfectly good reason for doing the opposite. Particle physics was an area where creative work could still be done. It really was a mess in the 1960s, but since that time the work of many theoretical and experimental physicists has been able to sort it out, and put everything (well, almost everything) together in a beautiful theory known as the standard model. My advice is to go for the messes — that’s where the action is.

My third piece of advice is probably the hardest to take. It is to forgive yourself for wasting time. Students are only asked to solve problems that their professors (unless unusually cruel) know to be solvable. In addition, it doesn’t matter if the problems are scientifically important — they have to be solved to pass the course. But in the real world, it’s very hard to know which problems are important, and you never know whether at a given moment in history a problem is solvable. At the beginning of the twentieth century, several leading physicists, including Lorentz and Abraham, were trying to work out a theory of the electron. This was partly in order to understand why all attempts to detect effects of Earth’s motion through the ether had failed. We now know that they were working on the wrong problem. At that time, no one could have developed a successful theory of the electron, because quantum mechanics had not yet been discovered. It took the genius of Albert Einstein in 1905 to realize that the right problem on which to work was the effect of motion on measurements of space and time. This led him to the special theory of relativity. As you will never be sure which are the right problems to work on, most of the time that you spend in the laboratory or at your desk will be wasted. If you want to be creative, then you will have to get used to spending most of your time not being creative, to being becalmed on the ocean of scientific knowledge.

Finally, learn something about the history of science, or at a minimum the history of your own branch of science. The least important reason for this is that the history may actually be of some use to you in your own scientific work. For instance, now and then scientists are hampered by believing one of the over-simplified models of science that have been proposed by philosophers from Francis Bacon to Thomas Kuhn and Karl Popper. The best antidote to the philosophy of science is a knowledge of the history of science.

More importantly, the history of science can make your work seem more worthwhile to you. As a scientist, you’re probably not going to get rich. Your friends and relatives probably won’t understand what you’re doing. And if you work in a field like elementary particle physics, you won’t even have the satisfaction of doing something that is immediately useful. But you can get great satisfaction by recognizing that your work in science is a part of history.

Look back 100 years, to 1903. How important is it now who was Prime Minister of Great Britain in 1903, or President of the United States? What stands out as really important is that at McGill University, Ernest Rutherford and Frederick Soddy were working out the nature of radioactivity. This work (of course!) had practical applications, but much more important were its cultural implications. The understanding of radioactivity allowed physicists to explain how the Sun and Earth’s cores could still be hot after millions of years. In this way, it removed the last scientific objection to what many geologists and paleontologists thought was the great age of the Earth and the Sun. After this, Christians and Jews either had to give up belief in the literal truth of the Bible or resign themselves to intellectual irrelevance. This was just one step in a sequence of steps from Galileo through Newton and Darwin to the present that, time after time, has weakened the hold of religious dogmatism. Reading any newspaper nowadays is enough to show you that this work is not yet complete. But it is civilizing work, of which scientists are able to feel proud.

*Department of Physics, the University of Texas at Austin, Texas 78712, USA. This essay is based on a commencement talk given by the author at the Science Convocation at McGill University in June 2003.

写写停停

好久没有写日志了,这篇博客在Live Writer里也写写停停好几天了,今天就草草加点内容,发出来吧。

芮成钢在韩国抢韩国记者机会的视频在网上传的很火,不曾想这件看起来很提气的事情,却招致了一大帮网友的非议:你芮成钢凭什么“代表”中国、“代表”亚洲?——又是“代表惹的祸”。但是不管怎么说,作为一个记者,能够抢到提问机会就是厉害的,韩国记者是太含蓄了还是太大度了?既然都有了和牛人接触的机会,为什么不抓住呢?英语确实重要,口语不好都不好意思跟人家提问。

随着这个礼拜的考试的结束,上半学期的课程告一段落,下半学期主要都是一些讨论课。科院的考试难度真是不小,关键在于没地方去找历年考题,hoho~考下来感觉并不怎么好。前几天复习的时候,越发感觉有些内容没有掌握清楚,等我开始发觉的时候,半个学期已过。下一个阶段抓紧时间把一些课程的内容重新给过一遍,希望第二遍看的时候,能够在之前复习的基础上,对一些问题有一个总的概括和认识。

昨天开始所里在办一个“微纳加工技术高级培训班”,抽空去听了一下,看到很多新的东西,包括很多新的技术和新的应用(讲习班请的演讲者也主要是这两个方面的)。发现当时崔铮老师在现场“签名售书”(其实是很随意的),只可惜我在前一天晚上在当当上已经订了这本书(《微纳米加工技术及其应用》),今天才拿到手,就没要到签名啦。从目录上看,此书作为微加工的参考书是再好不过了,应该还可以当字典用。比较惊喜的是,我们这些旁听者也享受到了注册者的待遇,每天中午免费享用自助餐。

越来越觉得博客在Google或百度里那么容易被搜到不是件好事,于是就在robots.txt里把所有的spider都给禁止了,至少以后发了一些不该发的文章,删除也方便。

就这些了。

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。

刚才组里面进行了第一次的电化学基础知识讲座,内容很丰富也很受用,但对于我来说,压力那也是相当得大。目前看来,要想在cas读研,自己的基础知识真的是还不够扎实,不仅是欠缺一些没有学过的知识,即使是一些已经学过的也不一定掌握得足够得娴熟,比如说固体物理和半导体物理,当然,有以前的基础就比较容易捡起来一点。所以基于这一点,下半年的主要任务就是补充各种基础知识:

  • 电化学

主要是参考巴德写的电化学原理,此书有800多页,初步的想法是能够把它粗略地过一遍,对于电化学建立起一个整体的概念。

  • 热力学,动力学,量子力学

这些知识在研究一些基础性问题和探讨机理的时候非常有用,第一性原理的计算中也得用到这些知识。

  • 半导体物理和固体物理

实验中涉及到的许多问题分析其实都是涉及到这些知识,包括载流子的输运以及晶格结构之类的问题。

这样粗粗一罗列,发现要学习的量是非常多的,但是知识是永远学不完的,要边用边学才会更有效率,所以这其中一定要穿查文献阅读和实验操作,这样才能扩展思维、发现许多有趣的和有意义的问题。希望这半年下来自己能够对锂电和固态离子这些领域的历史、现状和应用有一个整体的认识,学期结束时能够做出一个相关领域的思维导图;设计实验验证或解决一两个小问题,能够计算一下各种电池材料的理论能量密度,以期能够熟悉一些基础理论。

来所里的这一个月,虽然没有干什么事情,但是最大的收获就是意识到了自己博士生的身份——需要有大量的专业阅读、跨学科的专业知识(从物理到化学,从理论到产业)以及对于整个行业的准确认知。当然还有博士必备的特质:勤勉与专注。The illustrated guide to a Ph.D.的一组图片,是对博士生最好的注解(中文注释来自阮一峰):

PhDKnowledge.001 PhDKnowledge.002
假设人类所有的知识,就是一个圆。圆的内部代表已知,圆的外部代表未知。 读完小学,你有了一些最基本的知识。
PhDKnowledge.003 PhDKnowledge.004
读完中学,你的知识又多了一点。 读完本科,你不仅有了更多的知识,而且还有了一个专业方向。
PhDKnowledge.005 PhDKnowledge.006
读完硕士,你在专业上又前进了一大步。 进入博士生阶段,你大量阅读文献,接触到本专业的最前沿。
PhDKnowledge.007 PhDKnowledge.008
你选择边界上的一个点,也就是一个非常专门的问题,作为自己的主攻方向。 你在这个点上苦苦思索,也许需要好几年。
PhDKnowledge.009 PhDKnowledge.010
终于有一天,你突破了这个点。 你把人类的知识向前推进了一步,这时你就成为博士了。
PhDKnowledge.011 PhDKnowledge.012
现在你就是最前沿,其他人都在你身后。 但是,不要陶醉在这个点上,不要把整张图的样子忘了。

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