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喝剩下的水不要扔,灌到这种电池里,隔壁的小孩都……

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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。


从小编出生开始,就总是听说有人想把水和能源挂上钩,趁机再从中捞一把,可最终还是吃了没有文化的亏。

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。


Stanley Meyer和他申请了专利的水动力沙滩车丨tcct.com

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”。


但问题关键就在于水变成氢气的能量是从哪里来的,你说依靠太阳能也好,风能也罢,就在这样空手套白氢的,把水转化成氢气了?果不其然今年2月份,该集团的子公司就对外宣布开始进入破产清算的程序。

水的内心表示:我是无辜的啊!


小编今天就要给水一个清白。要说水和供能没有关系?那还真不是,你知道水系电池吗,电池加了水竟然就可以工作了,只不过在这种电池里并不是供能物质,而是主要起到电解液的作用

锂电池是怎么“火”的

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。


锂离子电池热失控原因和对应解决措施丨cell.com


电池组热失控原因和对应解决措施丨cell.com

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?


分散式储能电站,其实对能量密度要求没有那么高。只要成本允许做一个一层楼高的储电站,放在小区里供电,也是可以接受的,只要能储存够多的电量,做大点也没问题。什么?你想做成两层楼高的储能电站?那也没问题。


此时小编只想掏出一本名为“水系电池”的法宝,因为这种电池里电解液用到的溶剂是水。那这下就好办了,安全性基本上就可以保证了,相对于传统锂离子电池相对的安全性,这是种绝对的安全性,水能有什么坏心眼。

水系电池是指以水为电解液的二次电池。你说水系电池水吧,它可是一点儿都不水,水系锂离子电池还有第三个特点。那就是用水做溶剂的电解液离子电导率普遍比有机电解液高2个数量级,所以即使是做成又大又厚的电池,也能够保证比较快的充放电速率。这能够更好的发挥储能设备在绿色电网中的消峰填谷作用。


Jaff Dahn首次提出的水系电池体系丨sciencemag.org

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——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。


一不小心电池内部可能就变成了初中化学实验——电解水产氢产氧

理论上在电化学范畴,在pH=0时,高于1.23V水会被氧化为氧气,低于0V会被还原为氢气。水系电池能对外输出多少电压,或者能够在充电时承受多少电压,那么就需要水能够承受多少电压。所以从这个角度来看,水系电池理论上只能输出不超过1.23V的电压。我们称这个电解液能够输出的电压大小为,电压窗口


图 | 水的电化学窗口随pH值的变化和常见锂离子正负极电池材料的氧化还原电势丨acs.org

一般来说正极的电位不要高于电解液的电化学窗口上沿(氧化窗口),负极电位不要低于电解液的电化学窗口下沿(还原窗口)。这样才能保证电解液在电池充放电过程中的稳定。

进一步的,正极电位尽可能接近窗口上沿,负极电位尽可能接近窗口下沿。这样就能保证在该电解液体系中电池能够输出更大的电压,于是水系电池的能量密度就能够尽可能得到满足。


不同盐浓度下的溶剂化结构丨sciencemag.org

再进一步,如果考虑到水分解本身也需要一定的过电势,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。


近年水系电池相关文章数量变化丨acs.org

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

参考文献

[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

本文经授权转载自中科院物理所(ID:cas-iop),如需二次转载请联系原作者

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