今日Science罕见谈及已存在160年的电池体系,蕴含万亿美元市场!

    160多年前,加斯顿·普兰特(Gaston Planté)于发明了铅酸电池。尽管其能量密度较低,但低成本,高安全以及环境友好(回收率达99%)等特点使得铅酸电池在当今世界上仍占有重要位置!铅酸电池目前占全球储能市场的70%,规模约800亿美元,2018年的总产量约为600GWh。铅酸电池目前在不间断电源模块,电网,和汽车(包括所有混合动力和锂离子电池新能源车辆)等领域应用广泛。(可能有人会问为什么以锂电为动力源的新能源汽车还要用铅酸电池,这个问题的解释请查看下方链接,说的很详细。)

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    在每个充放电循环中,电池活性物质的不断溶解和再沉积会造成正负电极形态和微观结构不断变化(图1)。这些结构变化可腐蚀由纯铅/铅钙/铅锑合金制成的电极栅,并影响电池循环寿命和材料利用率。由于这种形态演变是铅酸电池运行过程中所不可或缺的,因此在原子尺度上发现其控制原理可能会在材料设计,表面电化学,高精度合成以及能源材料的动态管理等领域开辟令人兴奋的科学新方向。

今日Science罕见谈及已存在160年的电池体系,蕴含万亿美元市场! 图1:在放电期间,两个电极均形成表面PbSO4。Pb/PbSO4电极在不同充电和放电条件下,其表面的形态变化。

    铅酸电池中存在复杂的电化学和化学过程相互作用,这种相互作用会在多个尺寸范围内发生,颗粒大小从10nm到10µm(图2)。放电时,Pb2+离子会与电解质中的硫酸迅速反应,形成不溶性PbSO4。在充电时,PbSO4转换回Pb和PbO2,而鉴于PbSO4的溶解度较差,这是一个热力学和动力学要求更高的过程。电极孔内酸浓度梯度与PbSO4溶解速率之间的复杂关系凸显了提高电池快充电能力所需面临的挑战。

今日Science罕见谈及已存在160年的电池体系,蕴含万亿美元市场!图2:铅酸电池面临的技术挑战是在多个尺度范围内发生的电化学和化学过程复杂相互作用。原子级洞察电极上发生的过程将为提高铅酸电池的效率,寿命和容量提供途径。

    铅酸电池最具前景的领域可能是电网储能,估计其未来市场规模约为数万亿美元,可在20美元/kWh范围内提供储能。尽管在基于能量密度指标的铅酸电池和锂电之间存在竞争,但实际上,锂电对镍氢和镍镉造成的冲击更大,其价格因素限制了锂电在许多储能应用领域的渗透。

    我们常认为铅酸电池对人体健康和环境有很大影响(感兴趣的朋友可以关注一下陕西凤翔血铅事件)。但严格法规的实施已经可以使得铅酸电池达到99%回收率。而作为锂电,仍存在着不少安全和健康问题,例如1)正极材料中Ni和Co氧化物的潜在致癌能力;2)电池热失控导致的起火和爆炸,伴随还会产生高毒性有机氟磷酸盐神经毒素;3)由电解质和添加剂引起的有毒有机氟副产物会污染环境。

    与任何技术一样,许多相关的风险可以通过适当的材料管理,良好的生产规范和可靠的废物管理来加以限制。铅酸电池的99%的回收率以及有关铅环境排放的严格规定,极大地降低了铅向环境中释放的风险。在短期内,由于我们缺乏经济可行的锂电技术回收解决方案,再加上接近使用寿命电池单体数量的增长,这些将加剧废弃锂电对环境造成污染的可能性。

    纵观铅酸电池的发展和现状,我们仍有必要进一步在铅酸电池技术发展方面做出努力,其在未来的储能市场中仍将占据一席之地!

Science 369 (6506), 923-924. DOI: 10.1126/science.abd3352 

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参考文献:Science