讓一切電力化:為什麼潔淨的未來需要電動汽車和更多

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向Wed Mar 03 2021 提供最新信息

電話、冰箱和電視有什麼共同點呢? 它們都是以電力的形式使用能源的。

但是有些東西直接使用化石燃料,例如石油和天然氣。 你認為哪兩項消耗最多的石油或天然氣


我們為什麼要使(幾乎)所有東西都變成電動的? 因為潔淨的核反應堆、太陽能電池板和風力渦輪機都能夠產生電。 为了使用這種潔淨的電力,我們需要用電力而不是石油或天然氣來為運輸和供暖提供動力

另外,將移動排放物(如汽車排放物)轉化為固定排放物(如發電廠排放物)也會使碳捕集更容易。在我們的"Industrial Innovation"課程中有更多的信息!

將電轉換為熱能的效率幾乎達到100% 唯一使我們停滯不前的是價格極低的天然氣。 因此,我們需要使乾淨的電力更便宜。 記住,如果電力來自化石燃料,那麼用電力代替天然氣是沒有意義的

那麼,運輸方面呢?

電池可以代替71%的運輸燃料!

電池與噴氣機燃料相比

但是,汽車,卡車,公共汽車等呢? 電動汽車已經存在了,並且隨著電池性能和使用壽命的改善,電動卡車也將很快實現。 幸運的是,這種陸地運輸佔據了所有運輸排放量的大部分

運輸排放份額

提高電池性能、壽命和成本是向電力運輸過渡的核心。 如果你覺得這很有趣,請繼續閱讀! 我們將詳細討論當今電池的運作原理,然後再探討如何改進它們。

什麼是電池?

鋰離子電池

電池化學成分有很多種,但它們大多由相同基本角色的組件組成:

  • 鋰原子,每個原子可以失去一個電子,變成正鋰離子(這就是「鋰離子電池」一詞的由來!)
  • 陰極 - 一種吸引鋰的材料(這是電池的正極)
  • 陽極- 是一種可以存儲鋰離子和電子的材料,這種材料通常是石墨(這是電池的負極)
  • 分隔器- 是陰極和陽極之間的壁。 鋰離子可以通過它,但電子被阻止通過
  • 電解質- 是放置陰極和陽極的材料。它不帶電荷,因此不會與電池的其餘部分產生反應,而且它可以是液體或固體的[SSBCom,Batteries101]。

讓我們更詳細地了解這個。

如何充電?

總而言之,充電涉及使用能量迫使鋰從正極移入負極

能量以什麼形式儲存在一個電池中的??


給鋰離子電池充電

當一個空電池連接到另一個電源時,一個電子將從每個鋰原子上被剝離下來,並開始沿著電源從陰極移動到陽極。

為什麼呢


當一個電子從鋰上脫落時,它留下了帶正電荷的鋰離子,這些帶正電荷的離子被吸引到現在帶電子的負電荷陽極上。 因此,離子流過阻隔器進入陽極。

陽極中的石墨就像三明治中的麵包一樣,將鋰離子和電子分開在其各層之間,直到電池放電為止。 這是一種不穩定狀態— 鋰離子真的非常希望與它們的電子結合。

陽極

為什麼電子和鋰離子不直接通過分離器返回


放電是如何運作的?

給鋰離子電池放電

當陽極和陰極通過電纜連接時,鋰離子流回分隔器,而電子通過外部電路回流。 在陰極,它們重新結合並回到一個穩定的狀態

當電子通過電纜回流時,它們會產生電流,該電流可用於為燈泡、你的手機或其他設備供電

為什麼是鋰?

在我們所知道的所有元素中,鋰是最願意釋放電子的元素之一。 其他材料相對更願意獲取 電子。 這主要是基於它們的電子構型。

為什麼呢? 原子由核(稱為原子核)和電子組成。 電子在電子殼層 包圍著核。 原子希望它們的殼層是「完整」的,它們甚至準備好與其他原子共享電子以實現這一目標。 此規則是電池的核心

鋰和氟化物的電子殼

看一下這兩個原子:鋰和氟。 你認為哪一個會更願意釋放一個電子呢


對於氟來說,添加一個電子比釋放七個電子要更容易。 對於鋰來說,釋放一個電子更容易

我們能改進電池麼?

正如我們已經說過的,電動汽車已經在市場上銷售,並且非常有用。 然而,它們的價格仍然相對昂貴,並且性能改善總是好事來的。 卡車已接近現實,但電動飛機和船舶以今天的電池技術不太可能被使用。 我們可以使這些成為可能嗎?

一些我們真正想要改善電池的關鍵因素是:

改良電池

大多數的技術都有物理限制。 例如,今天的商用太陽能電池板吸收了20%照射到它們的陽光。 從理論上講,我們也許能建造出能100%吸收照射到它們的陽光的太陽能電池板,但顯然不會超過100%。 這是一個理論限制

理論限制

增加電池可以使用的充電週期數沒有明顯的理論 限制。 而實際上呢? 今天的電池可以使用數千個循環,但是最近的研究可以將其增加2到3倍。 這是激動人心的時刻!

但是它們的重量和尺寸如何呢?

更輕和更小的電池?

現代的電池可以將大約250瓦時的能量裝入1公斤的電池裡。 相比之下,柴油或煤油等燃料可容納13,000瓦時/公斤的能量

電池與液體燃料相比

我們該怎樣改進這個呢? 讓我們從理論限制開始,看看是否值得付出任何切實可行的努力。 我們的目標不會超過絕對最佳的結果,因此這永遠是很好的第一步!

首先要看的是電池每個組件有多重

電池各組件的重量

步驟1:讓我們拋棄所有「不必要的」東西。 除了正極和負極之外,其他所有東西都只是輔助 - 在現實世界中,我們需要它,但從理論上講,我們不需要它們。 注意,鋰的重量包含在陰極和陽極的重量中

如果僅保留陽極和陰極,那麼現在的重量將剩下多少? (提示:請看上面的數字)


理論上,我們能否也捨棄陽極?


我們需要在某個地方收集鋰,但那是陽極的全部用途。也存在沒有陽極也可以做到的方法

因為我們正在尋找理論上的 限制,所以我們要非常樂觀,並說這些工作沒有改變其他組件,我們可以有效地將陽極的重量減少到接近零。 現在,原始重量還剩下多少呢?


如果我們可以製造出一個沒有支撐部件的電池和一個幾乎沒有重量的陽極,我們可以將重量降低到如今電池重量的41%,從而使比能為250/0.41 = 609瓦時/公斤。

現在我們只剩下陰極和一個沒有重量的陽極。 我們還能做什麼呢?


最好的陰極是什麼?

我們希望選擇最輕且對鋰有強烈吸引力的材料。

以下是一些可以作為較輕陰極的選項的材料,以及它們理論上最大的比能:

電池類型和汽油的比能

看起來,鋰—氧氣可以使得電池像汽油一樣輕!

鋰硫電池和空氣鋰電池真的可行嗎?

陰極應具有哪些特性呢?


目前最常使用的陰極類型是鋰鈷氧化物(LiCoO₂)。它很重,但很好用。相比之下,我們在這裡談論的“更好的”替代品仍在開發中

鋰硫電池也已經出現了,但還沒有達到大規模

超氧化鋰電池比鋰硫電池更複雜,但它們是可能的。我們只是還不知道是否能讓它們工作得足夠好,讓它們在實際中發揮作用

然而,真正的問題是,我們一直在討論理論 數字。你還記得,我們​​摒棄了除了陰極以外的所有元件。陰極只佔總質量的41%,所以即使我們達到了理論上的最小陰極質量,剩下的59%的電池質量仍然會在那裡。這意味著,即使陰極不重,我們的改進也不到2倍!

当然,研究是困难的,但是集思广益(以及大量资金的投資),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也变得越来越轻了。

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

如何使電動汽車和卡車變得便宜

近年來,鋰離子電池的價格已經急劇下降,並且預計還會更進一步下降

電池組的價格

這有一部分歸因於創新,但也歸因於經濟規模。相比幾年前,我們現在正在建造更多的電池,這使工業界可以使用大規模生產的方法,來降低整個製造過程的成本。 特斯拉是世界上最大的電池生產商之一,該公司正在建造大型工廠,以提高自動化和產量來降低成本。

我們可以使用電池來解決太陽能和風能的存儲問題嗎?

對於電力運輸來說,能量密度和比能是非常重要的。 然而,對於電網規模的存儲,可伸縮性和成本卻更為重要。 為什麼呢? 因為我們需要存儲大量 的能量。 讓我們看一下數字。

按照目前生產價格約為150美元/千瓦時的電池儲存,建造一塊用來存儲世界上一天所消耗的能源的電池要多少成本呢


我們希望在這裡看到更低的數量,但是很可悲的是,這是我們現在所處的階段。 70萬億美元是2018年全球國內生產總值的80%以上。 這意味著,製造能夠為全球提供一天電能的電池將花費2018年生產的所有商品的80%--所有的!

現在的電池很昂貴

電池對於運輸的電氣化極為重要,因此你在這裡學到的知識仍然非常有用。

但是我們還沒有放棄大規模存儲! 我們將在兩章時間裡介紹一些儲能的替代方案。 但首先,讓我們先看一下氫燃料,並探討氫燃料如何使飛機和輪船電氣化,並可能成為汽車電池的替代品。

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