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 Wed Mar 03 2021

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。

但有些东西直接使用石油和天然气等化石燃料。 你认为哪两者使用最多的石油或天然气


为什么我们想让(几乎)一切都是电动的? 因为清洁核反应堆、太阳能电池板和风力涡轮机都可以发电。 为了使用这种清洁电力,我们需要能够用电力而不是石油或天然气为运输和供暖提供动力

顺便提一下,将移动排放(例如来自汽车的排放)变成固定排放(来自发电厂的排放)也使得使用碳捕捉变得更加容易。但在我们的"工业创新"课程中会有更多这方面的内容。

将电能转化为热能的效率接近 100% 唯一的障碍是天然气的极低价格。 因此,我们需要让清洁电力更便宜。 请记住,如果电力来自化石燃料,那么使用电力代替天然气是没有意义的。

那么运输方面呢?

电池可以取代71%的运输燃料!

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

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?

锂离子电池

电池化学成分有很多种,但它们大多由相同基本角色的组件组成:

  • 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!)
  • 阴极 - 一种吸引锂的材料(这是电池的正极)
  • 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)
  • 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
  • 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

能量以什么形式储存在电池中


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。

为什么


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。

阳极

为什么电子和锂离子不能通过隔板返回


放电是如何运作的?

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

锂和氟的电子外壳

看一下这两个原子:锂和氟。你认为哪一个更愿意释放电子呢


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?

正如我们所说的,电动汽车已经商业化,而且很有用
然而,它们仍然相对昂贵,性能上还需改进。电动卡车已经接近现实,但今天的电池技术还无法实现电动飞机和电动船舶。我们能让这些也成为可能吗?

我们真正希望改进电池的一些关键方面是:

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

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?

现代电池可以在1公斤电池中容纳约250Wh的能量。相比之下,柴油或煤油可以容纳13000wh /kg!

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

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

如果仅保留阳极和阴极,那么今天电池的重量将剩下多少? (提示:请看上面的数字)


理论上,我们也能把阳极去掉吗?


我们需要在某个地方收集锂,但那是阳极的全部用途。也存在没有阳极也可以做到的方法

因为我们正在寻找理论 极限,让我们非常乐观地说,这些工作不改变其他组件,我们可以有效地减少阳极的重量到零。现在,原来的重量还剩下多少?


如果我们能建造一个没有支撑部件和无重阳极的电池,我们可以将其重量减少到目前电池重量的41%,使我们的比能量为250/0.41=609Wh/kg

现在我们只剩下阴极和一个没重量的阳极。我们还能做什么呢?


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

电池类型和汽油的比能

看起来超氧化锂可以制造像汽油一样轻的电池!

锂硫电池和超氧化锂电池可能存在吗?

阴极应具有以下哪些特性?


目前使用的最常见的阴极类型是锂钴氧化物(LiCoO₂)。它很重,但很好用。相比之下,我们在这里谈论的“更好的”替代品仍在开发中

锂硫电池也已经出现了,但还没有达到大规模的规模

超氧化锂电池比锂硫电池更复杂,但它们是可能的。我们只是还不知道是否能让它们工作得足够好,让它们在实际中发挥作用

然而,真正的问题是,我们一直在讨论理论 数字。你还记得,我们抛弃了除了阴极以外的所有元件。阴极只占总质量的41%,所以即使我们达到了理论上的最小阴极质量,剩下的59%的电池质量仍然会在那里。这意味着,即使阴极不重,我们的改进也不到2倍!

当然,研究是困难的,但是集思广益(以及大量资金的存在),这些技术正一步步变得更好。阳极和其他组合成电池的材料变得越来越轻了。

由此得出的主要结论是:我们可能永远也不会开发出和天然气一样轻的电池,但是我们可以开发出每千克储能高于现在电池储能的两倍甚至三到五倍的电池

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

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。

以目前电池储能的生产价格约150美元/千瓦时来算,建造电池来存储全球一天所消耗的能源要花费多少成本


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!

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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