一切都要电动:为什么清洁的未来需要电动汽车和更多

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更新于: 2020年12月27日15:25:20 格林尼治标准时

电话、冰箱和电视机都有什么共同点呢? 它们都使用电能形式的能源。

我们为什么要使(几乎)所有东西都变成电动的呢?因为清洁的核反应堆、太阳能电池板和风力涡轮机都是发电的。要使用这种清洁的电力,我们需要能够用电力来运输和供暖,而不是用石油或天然气

将电转换为热能的效率几乎达到100% 唯一阻止我们向前的是价格不可思议低廉的天然气。因此,我们需要使清洁电力更便宜。请记住,如果电力来自化石燃料,那么用电力代替天然气是没有意义的

电池可以取代71%的运输燃料!

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电池与喷气燃料

但是汽车,卡车,公共汽车等呢?电动汽车已经存在,并且随着电池性能和使用寿命的改善,电动卡车也将触手可及。幸运的是,这种陆地运输占据了大部分的运输排放量

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运输排放份额

改善电池性能、寿命和成本是向电动运输过渡的核心。如果你觉得这很有趣,请继续阅读!我们将详细讨论当今电池的工作原理,然后探讨如何改进它们。

电池是什么?

电池有很多种。今天最常见的是所谓的锂离子 (Li-Ion) 电池。它可用于任何地方,从手机到电动汽车。它们可以快速充电和放电数千次

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锂离子电池

锂离子电池的最基本部分是:

  1. 锂原子,每个原子都会失去一个电子而变成正锂离子(这就是“锂离子电池”这个词的来源!)
  2. {阴极 - 一种吸引锂的材料(这是电池的正极)
  3. 阳极 - 一种可以存储锂离子和电子的材料,通常称为石墨(这是电池的负极)
  4. 隔板 - 阴极和阳极之间的墙壁。锂离子可以通过,但电子会被阻止
  5. 电解质 - 放置阴极和阳极的材料。它不带电荷,因此不会与电池的其余部分发生相互作用,它可以是液体或者固体

让我们更详细地看一下。

充电是如何运作的?

总而言之,充电涉及使用能量来强制将锂从正阴极移去负阳极

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给一块锂离子电池充电

当空电池被连接到另一个电源时,电子将从每个锂原子上剥离下来,并开始通过电源从阴极流向阳极。

当电子从锂上剥落时,它将留下带正电的锂离子。这些带正电的离子被吸引到现在含有电子的带负电的阳极上。 {因此,离子流过隔板进入阳极。

然后,阳极中的石墨就像三明治中的面包一样,将锂离子和电子保持在其各层之间,直到电池放电为止。 {这是一种不稳定状态 - 锂离子非常希望能与电子结合。

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阳极

放电是如何运作的?

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给锂离子电池放电

当阳极和阴极通过电缆连接时,锂离子会通过隔板流回,而电子则通过外部电路流回去。在阴极,它们重新结合并返回到稳定状态

当电子流回电缆时,它们会产生电流。该电流可为灯泡,手机或其他设备供电

为什么是锂?

在我们所知道的所有元素中,锂是最愿意释放电子的一种。其他材料则相对更愿意获得 电子。这主要是由于它们的电子构型。

为什么?原子由核心(称为核)和电子组成。在电子壳 中,电子围绕核。原子希望它们的壳被“充满”。他们甚至准备与其他原子共享电子来实现这个目标。此规则是电池的核心

Image of 锂和氟的电子外壳

锂和氟的电子外壳

对于氟来说,添加一个电子比释放七个电子要容易得多。而对于锂来说,它更容易给出一个电子

我们能改进电池吗?

就像我们已经说过的那样,电动汽车已经可以在市面上购买并很有用处。但是,它们仍然相对昂贵,并且性能改善总是好事。而且,现在还没有电动飞机,卡车和轮船。我们可以使这些成为可能吗?

我们非常想要改善电池的一些关键方面是:

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改善电池

大多数技术都有物理限制。例如,今天的商业太阳能电池板能吸收20%的撞击到它们的阳光。从理论上讲,我们应该可以够制造出能收获100%的撞击上来的阳光的太阳能电池板,但显然永远不能超过100%。这是一个理论限制

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理论限制

延长电池可以维持的充电循环次数没有明显的理论 限制。而实际上呢?今天的电池可以存活数千个循环,但是最近的研究可以将其增加2到3倍。将会是激动人心的时刻!

但是它们的重量和大小呢?

更轻和更小的电池?

现代电池可以将大约250瓦时的能量装入1千克的电池中。相比之下,柴油或煤油等燃料可容纳13,000瓦时/千克

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电池与液体燃料

我们该怎样改进呢?让我们从理论限制开始,看看是否值得付出任何现实的努力。我们的目标不能超过绝对的最佳结果,因此这始终是一个很好的第一步!

首先要看的是电池每个组件的重量

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电池各组件的重量

第1步:让我们抛弃所有“不必要的”东西。 除了阳极和阴极之外,其他所有东西都只是在提供帮助 - 在现实世界中,我们需要它,但从理论上讲,我们并不需要。注意,锂的重量包括在阳极和阴极的重量中

我们需要在某个地方收集锂,但这就是所有阳极的用途。

如果我们可以制造一个没有支撑部件和无阳极重量的电池,我们可以将重量降低到如今电池重量的41%,从而使我们的比能为250/0.41 = 609瓦时/千克。

最好的阴极可能是什么?

我们要选择重量最轻且对锂有强烈吸引力的材料。

这里是一些被探索的较轻的阴极材料选择,与它们的理论最大比能

Image of 电池类型和汽油的比能

电池类型和汽油的比能

看起来锂空气可以制造像汽油一样轻的电池!

锂硫和锂空气真的可能吗?

今天最常见的阴极使用类型是钴酸锂(LiCoO 2)。它很重,但是可以运转。相比之下,我们在这里谈论的“更好”的替代方案仍在开发中

锂硫电池也已经存在,但尚未大规模使用

锂空气电池比锂硫电池要复杂得多,但是可能的。我们只是不知道能否使它们运转足够好而实用

但是,真正的破坏者是我们一直在谈论的理论 数字。你还记得,我们放弃了除阴极以外的所有组件。阴极仅占总质量的41%,因此,即使达到理论上阴极质量的最小值,今天电池重量的其余59%仍将存在。这意味着即使阴极没重量,我们的改进还不到2倍!

哎哟! 研究工作很艰辛,但是凭借大量的脑力(和投资),这些技术正在逐步完善!阳极和将电池固定在一起的材料也越来越轻,研究人员一直在取得进步

由此得出的主要结论是:我们可能永远不会拥有与汽油具有相同比能的电池,但是我们可以得到比当今电池每千克容纳的能量两倍以上,甚至是三到五倍 的电池。

如何使电动汽车和卡车更便宜

近年来,锂离子电池的价格已经急剧下降,并且预计还会进一步下降

Image of 电池组价格

电池组价格

这部分归因于创新,也归因于规模。今天,我们正在建造比几年前更多的电池,这使该行业能够使用批量生产方法,从而使整个过程变得更便宜。特斯拉是世界上最大的电池生产商之一,该公司正在建造大型工厂,以提高自动化程度和产量,并降低成本。

我们可以使用电池来解决太阳能和风能的储能问题吗?

对于电力运输来说,能量密度和比能非常重要。但是,对于网格规模的存储,可扩展性和成本更为重要。为什么呢?因为我们需要存储大量 的能量。让我们看一下数字。

我们希望在这里看到更低的数字,但是很遗憾,这就是我们现在能做到的。 70兆美元占2018年全球GDP的80%以上。这意味着制造足以提供全球一天使用电量的电池,将花费2018年生产的所有商品的80%的成本!

Image of 今天的电池很昂贵

今天的电池很昂贵

电池对于运输电动化极为重要,因此你在这里学到的知识仍然非常有用。

但是我们还没有放弃大规模的存储!我们将在两章时间里介绍一些储能的替代方法。但首先,让我们看一下氢燃料和它们如何能给飞​​机和轮船通电,并可能替代汽车中的电池吧。

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