喝剩下的水不要扔,灌到这种电池里,隔壁的小孩都……
水是人们生活中最常见的物质之一。一提起水和科学,小编总是会想到和水有关的各种百思不得解的骗局。毕竟总有一些民科想从身边最常见的事物身上想搞一些大新闻。
水的骗局
1997年王洪成的“水变油”案件结案,一场持续了4年的闹剧从此终结。我们现在小学生可能都会觉得“水变油”是不可能的。但是在当时,王洪成精湛的“骗计”,再加上变戏法的手段,在媒体面前移花接木,让人以为水真的可以变油。这样的骗局吸引了一大批民众的关注,甚至主流媒体都多次报道。
用水替代能源的知名骗局中,20世纪80年代,国外还有一位叫Stanley Meyer的人,他声称自己的“水动力”沙滩车,可以用四升水开180公里。小编粗略的算了一下,根据氢气和常规汽油的热值,就算把四升水以100%的效率完全转化成氢气,再从氢气以100%的效率转化成动力,都比不过汽油能够产生的动力。
四升水开180公里?现在常规汽油车百公里都要5升汽油。我小学二年级的算数一算都能算出问题,这位外国“发明家”还真敢骗。
再到前几年国内突然又被提到公众面前的,“水氢发动机”名字起得到挺好,知道里面加一个氢字。毕竟“水动力”的名字,现在小学二年级的同学一看都觉得不可能。其实听起来也没啥新意,原理上貌似也行得通——水变成氢气,氢气燃烧再产生水和能量。这倒还算有一些21世纪骗子的“科学操守”。
近年来锂离子电池发展迅速,虽然这项技术从1990年才开始商业化,但就这三十年的时间,锂离子电池的成本已经降低了90%以上,并成为了未来中国新的经济增长点。绿色能源普及和能源互联网的建立,对储能设备提出了要求——能量密度高,成本低,环境友好,安全性好。
不过但凡问一个不懂行的普通人,他们对锂离子电池的担忧是什么,大多数人都会说安全。毕竟锂离子电池而发生的起火事故,都和能量密度很高的锂离子电池有关。锂离子电池能起火还不是因为电池里面使用了有机电解液?
机械、电气和热滥用以及电池缺陷会引起热失控丨cell.com
现在电池的安全性,从材料层面一直到电池组层面都有了很好的保障。比如电池组层面的管理可以保证电池单体不会被滥用,电解液添加阻燃添加剂可以尽可能阻止大规模火灾的发生,除此之外温度控制,气体保护都能够很好的保证电池组的安全。
上面两张图没看懂没关系,你只需要知道,在电池里面,但凡有一点点“热失控”的可能,研究人员都能给你解决得明明白白的。而且你也很明显的看到,为了保证锂离子电池安全性需要多么复杂的工艺和技术。
水系电池
电动车里的锂电池如此,但是要是把锂离子电池这一套系统用在储能站上,那就又有新的因素要考虑了。除了安全性之外最要紧的就是成本。锂离子电池本身制造条件严格(干燥),而且但凡我们想用于大规模储能,为了安全性而付出的成本,其实也是很高的。谁又希望在自己小区里放一个有可能会boom的大块头呢?
,水能有什么坏心眼。
1994年Jaff Dahn教授首
次提出了首个水系锂离子电池。采用的是锰酸锂为正极,氧化钒为负极,硝酸锂和氢氧化锂水溶液为电解液。
首先我们需要知道,电池的能量密度由这个电池电极材料的容量和电压决定——近似等于两者的乘积。直到现在,研究人员一直在针对水系电池最突出的问题进——能量密度低进行攻关,因为电池的电压受制于水的分解电位。当然啦水系电池目前还有副反应严重、集流体腐蚀等一些需要解决的问题。
不同盐浓度下的溶剂化结构丨sciencemag.org
,而且电解液会在电极表面生成一层钝化膜,电解液的窗口能够被进一步的拓宽。甚至采用高浓度的盐溶液,也就是电解质加得多多的,此时的溶剂结构非常神奇,电解液的窗口能够进一步被拓宽。2015年提出的“盐包水”电解液,能够将水系电池窗口拓宽至3-4V。这基本上都能够赶上锂离子电池的输出电压了。高浓度盐类溶液拓宽窗口对于锂离子电池,尤其是水系电池电解液的原理很是神奇,以后再给大家讲。
表 | 几种常见的电池体系与水系电池性能的对比 来源:cailiaoniu.com
电池体系 | 优点 | 主要应用 | 不足 |
铅酸体系 | 低成本、安全 | 动力、储能 | 铅污染、硫酸污染 |
镍氢电池 | 低温性能、动力性能 | 混合动力、储能 | 稀土、镍等原料成本高 |
锂离子电池 | 能量密度高 | 动力、储能 | 安全性 |
水系电池 | 成本低、安全 | 储能 | 能量密度低 |
相比较其他已经商业化的电池,水系电池的应用场景也很是明确——储能领域
,近几年该方向的研究论文数量也在飞速增长。
所以,每当有人鄙视我们生化环材发文章靠“灌水”,小编就很不服气,没错啊,我就是在给电池灌水啊,不灌水电池能工作吗?
特别鸣谢:感谢大师姐对本篇文章审核并提供了相关资料~
审核:Yue
编辑:Kun
[1] Kim H, Hong J, Park K Y, et al. Aqueous rechargeable Li and Na ion batteries. Chem.Reviews, 2014, 114(23): 11788-11827
[2] Suo L, Borodin O, Gao T, et al. “Water-in-salt” electrolyte enables high-voltage aqueous lithium-ion chemistries. Science, 2015, 350, 938-943.
[3] Li, W.; Dahn, J. R.; Wainwright, D. S. Science 1994, 264, 1115.
[4] Mitigating Thermal Runaway of Lithium-Ion Batteries- cell.com
[5] 水系电池再发Nature,事实力证将迎来发展的春天!- cailiaoniu.com
[6] The mysterious death of Stanley Meyer - tcct.com
[7] Progress in Rechargeable Aqueous Alkali-Ion Batteries in China - acs.org
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