用“锂”驱动世界,一鸣惊人的“转身”(下)

作者:苏更林来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-08

我国自主研发的“深海勇士”号潜水器,采用了具有国际先进水平的固态锂电池技术。

  〉〉想了解人类发现锂的曲折历程,请看《用“锂”驱动世界,一鸣惊人的“转身”(上)》

       助心脏起搏  为生命续航

  对于人体来说,心脏的重要性是不容置疑的。心脏就像一个“生命之泵”一样,可以推动血液的流动,因此是血液运输的动力器官。如果心脏出现了问题,那么人体器官和组织就得不到充足的氧气和营养物质供应,自然后果是十分严重的。

  心脏起搏器的发明,如今已经成为了心动过缓患者的一大福音。对于那些依靠心脏起博器维持生命的人来说,它简直就是一个“无价之宝”。心脏起博器的动力来源于内置的“电池”,这个电池必须满足稳定可靠、无泄漏、寿命长、重量轻等要求。

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  心脏起搏器的安装位置(图片来源:网络)

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心脏起搏器(图片来源:网络)

  心脏起搏器是锂电池的最早期应用对象。锂电池的自放电率极低,放电电压也比较平缓,因此植入人体后能够长期运行而不用充电。心脏起搏器大多使用锂碘电池,电池的寿命在10年以上。用这种电池的化学反应产生的电流,可以驱动心脏起搏器夜以继日地工作。心脏起搏器的电池和电路一起被密封在脉冲发生器中,从而隔绝体液以防短路。

  心脏起搏器的电池不能象一般电池那样随时被更换,不过患者可以通过一些症状来判断起搏器电池是否将要耗尽。当电池已接近耗尽时,要及时到医院就诊。

  锂手机瘦身   互联网流动

  说起手机的发明,有一个人不能不提,他就是马丁•库珀。1973 年4 月3 日,库珀推出了世界上第一部概念手机的模型。1983年4月,世界上第一台手机摩托罗拉DynaTAC 8000X诞生。由于这个移动电话的个头很大,因此被人们称为“大哥大”。

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  “手机之父”——马丁•库珀(图片来源:网络)

  手机的学名叫做移动电话,而它的能源支撑就是电池。“大哥大”的重量足有1千克,而电池就占据了整个手机一半的重量。最早应用于手机领域的电池为镍镉电池,这是一种使用氢氧化亚镍与金属镉为电极的蓄电电池。镍镉电池具有较高的能量密度,但镍镉电池具有严重的记忆效应。即便如此,手机电池的电量也只能维持连续通话30分钟。而要完成对电池的充电,则要消耗10个小时的时间。该手机可存储30个电话号码,仅有拨打和接听电话两种功能。

  大约在1989年左右,镍氢电池开始在手机中获得应用。原来,镍镉电池中的镉是一种毒性很强的金属材料,被淘汰也是迟早的事。镍氢电池相较于镍镉电池有了很大的进步,更轻、更薄、无毒而且能量密度更大。

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  (图片来源:作者制图)

  然而,真正让手机获得蓬勃发展的则是锂离子电池的普遍使用。1991 年,锂离子电池第一次得到商业化应用,展示了其独特优良的性能。锂离子电池的重量很轻,能量密度又较镍氢电池提升了 30%,并且告别了恼人的记忆效应,对环境也是十分友好的。

  锂离子电池是手机电池革命的里程碑,其直接效应就是带来了手机的“大瘦身”。电池技术的进步,使得智能手机得以应运而生,移动互联网也在人们的期盼中走到了应用的前台。

  随着移动互联网用户规模的不断扩大,以智能手机为主的移动智能终端正在逐渐成为一个产业的引领者。如今,移动互联网深刻影响着人们的生活方式和生产方式。

  深海“黑科技”   当惊世界殊

  传统的锂电池往往存在安全方面的隐患,这是未来锂电池需要改进的一个重要方面。传统的锂离子电池采用的是液态有机电解质,因此是发生燃烧和爆炸的主要原因。为了提高锂电池的安全性能,固态电解质便应运而生了。

  固态电解质可分为无机固态电解质和聚合物固态电解质两大类。前者主要应用于薄膜电池和心脏起搏器等领域;而后者主要为聚环氧乙烷聚合物固态电解质,在许多方面都具有明显的优势。

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  青岛储能院开发的“刚柔并济固态聚合物电解质”(“刚性”多孔骨架材料和“柔性”聚合物离子传输材料)

(图片来源:bandaowang.com)

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  图中圈红框的部分为青能所储能院研发的新型固态锂电池(图片来源:文献[3])

  开发具有高安全、长续航、全海深等特点的固态锂电池系统,是一项具有挑战性的科研课题。据悉,“蛟龙”号载人潜水器应用了充油耐压银锌电池技术,但银锌电池的能量密度低于60瓦时/千克,使用寿命约为50次,难以满足11000米全海深科考的应用要求。

  我国科学家立足于万米全深海长续航科考应用,研制开发了深海固态聚合物锂电池“青能Ⅰ号”,能量密度超过250瓦时/千克,500次循环容量保持80%以上,并且具有很高的安全性能。今年第一季度,在马里亚纳海沟进行的海试中,最大工作水深10901米,顺利完成了万米全深海示范应用。

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  我国自主研发的“深海勇士”号潜水器(图片来源:gouwu.mediav.com)

  我国自主研发的“深海勇士”号潜水器,采用了具有国际先进水平的固态锂电池技术,使电池的可用次数从原先银锌电池的50次增加到了500次,使用寿命可长达5年左右的时间。并且,潜水器还可以借助固态锂电池实现快速上浮和下潜,从而可以提高深海作业的效率。

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  参考文献

  [1] [意]Gianfranco  Pistoia.《电池应用技术——从便携式电子设备到工业产品》[M].吴宇平等 译,人民邮电出版社,2010年版。

  [2] [美]亨利·施莱辛格.《电池的秘史》[M].张宏佳等 译,上海科学技术文献出版社,2013年版。

  [3] 王娉.《青岛造固态锂电池完成万米海试》[N].青岛日报, 2017-03-29.

  [4] 新华网.《“数”说国产载人潜水器:“深海勇士”号能做什么》[J].《中科院之声》,2017.121。

  [5] 赵匡华.《107种元素的发现》[M].北京出版社,1983年版。

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