隨著各國燃油車禁售令的陸續(xù)發(fā)布，電動(dòng)車將逐步取代傳統(tǒng)的汽油車及柴油車，這已成為業(yè)內(nèi)所熟知的行業(yè)趨勢。為提升電動(dòng)車的續(xù)航里程數(shù)，各國的大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)也紛紛致力于電池技術(shù)及產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)及測試。

小編將蓋世新技術(shù)版塊中的新聞進(jìn)行了匯總，供各位讀者品鑒：

美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校與韓國首爾國立大學(xué)

關(guān)鍵詞：錳基鈉離子、鋰電池

美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校（University of Texas， Dallas）與韓國首爾國立大學(xué)（Seoul National University）共同研發(fā)出一款全新電池，其采用錳基鈉離子（manganese and sodium-ion-based material）材料。該材料或?qū)⒔档碗姵爻杀荆疑鷳B(tài)環(huán)保性更佳，所制成的電池可供電動(dòng)車使用。

他們采用鈉取代了陽極內(nèi)占比最大的材料——鋰，并用錳取代價(jià)格更為昂貴、儲(chǔ)量更為稀缺的鈷和鎳。該研究團(tuán)隊(duì)采用了合理的原材料配比并攻克了上述技術(shù)難題。他們先采用了計(jì)算機(jī)模擬，進(jìn)而測定了電池達(dá)到最佳性能時(shí)各原子的配置，然后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了大量的材料測試直至研發(fā)成功。

麻省理工學(xué)院（MIT）

關(guān)鍵詞：固態(tài)電池、鋰滲透、固態(tài)電解質(zhì)、表面光滑度

據(jù)外媒報(bào)道，麻省理工大學(xué)（MIT）的研究人員與德國的同行們共同提出，若采用表面光滑的固態(tài)電解質(zhì)（solid electrolyte），可防止有害的鋰滲透（Li infiltration）現(xiàn)象出現(xiàn)，進(jìn)而提升固態(tài)鋰離子電池的性能。據(jù)新分析表明，表面的光滑度才是該問題的關(guān)鍵所在，電解質(zhì)表面的細(xì)微裂紋及劃痕將導(dǎo)致金屬物的積聚。

在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（electrochemical reaction）后，來自電解質(zhì)的鋰（離子）將開始積聚到其表面細(xì)微瑕疵（包括：細(xì)微的凹點(diǎn)、裂痕、劃痕）處。一旦鋰離子開始在瑕疵處形成積聚，這一情況將會(huì)持續(xù)下去。

這表明研究人員需要將研究重心放在提升固態(tài)電解質(zhì)表面的光滑度，這樣或?qū)⑾驑O大地減少電池固態(tài)電解質(zhì)樹突的生成數(shù)量。為避免產(chǎn)生易燃問題，或許未來還會(huì)采用固態(tài)鋰金屬電極。此外，該舉措或?qū)⑹逛囯x子電池的能量密度翻番。

東京工業(yè)大學(xué)

關(guān)鍵詞：無鍺固態(tài)電解質(zhì)、全固態(tài)電池的優(yōu)勢、優(yōu)化LGPS框架結(jié)構(gòu)提升性能

東京工業(yè)大學(xué)（Tokyo Institute of Technology）的研究人員研發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)方案——無鍺固態(tài)電解質(zhì)，可降低固態(tài)鋰電池的成本，并致力于將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)車、通信及其他行業(yè)中。

無鍺固態(tài)電解質(zhì)

該研究團(tuán)隊(duì)在在美國化學(xué)會(huì)（ACS）期刊——《材料化學(xué)（Chemistry of Materials）》上發(fā)表了論文，其技術(shù)方案為：采用錫與硅替代固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)的鍺（germanium）元素，因?yàn)樯鲜鰞身?xiàng)材料的化學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)。相較于液態(tài)電解質(zhì)，新材料提升了鋰離子的導(dǎo)電率。在談?wù)撈溲芯砍晒麜r(shí)，Ryoji Kanno與他的同事表示：“這款固態(tài)電解質(zhì)不含鍺，未來或許所有固態(tài)電池都會(huì)采用該電解質(zhì)。”

全固態(tài)電池LiCoO2/LGPS/In-Li采用LGPS電解質(zhì)，其充放電性能相當(dāng)出色。然而，鍺元素價(jià)格相對(duì)較貴，或?qū)⑾拗芁GPS材料的廣泛應(yīng)用。在設(shè)計(jì)鋰離子導(dǎo)體時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)類型也是一項(xiàng)重要因素。未來，硅基及錫基的無鍺材料均可能被用作為固態(tài)電解質(zhì)并得到實(shí)際應(yīng)用。

全固態(tài)電池的優(yōu)勢

相較于采用鋰離子導(dǎo)電液體的常見鋰離子電池，未來的全固態(tài)電池?fù)碛幸韵聝?yōu)勢：安全性及可靠性得到提升，儲(chǔ)能量較高、使用壽命更長。

超離子導(dǎo)體（superionic conductors）——固態(tài)晶體（solid crystals）的研究發(fā)現(xiàn)提升了鋰離子的移動(dòng)速率，進(jìn)而促進(jìn)這類電池的研發(fā)進(jìn)展，但這款前景較好的設(shè)計(jì)卻一度依賴于對(duì)稀有金屬鍺的應(yīng)用，由于其價(jià)格過于昂貴，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

優(yōu)化LGPS框架結(jié)構(gòu)提升性能

在最近發(fā)布的一篇論文中，研究人員保留了相同的LGPS框架結(jié)構(gòu)，對(duì)錫、硅及其他成分的原子的速率及位置分布進(jìn)行了精密調(diào)整。其研究成果LSSPS材料（成分：Li10.35［Sn0.27Si1.08］P1.65S12 （Li3.45［Sn0.09Si0.36］P0.55S4））在室溫下的鋰離子導(dǎo)電性為1.1 x 10-2 S cm-1，幾乎接近最初的LGPS結(jié)構(gòu)的性能。

盡管還需要進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整，研究人員可根據(jù)其不同的用途來優(yōu)化材料性能，為降低生產(chǎn)成本帶來了新希望，且不必犧牲材料的性能。

美國萊斯大學(xué)（Rice University）

關(guān)鍵詞：電池樹突（dendrite）、石墨烯（graphene）、碳納米管（carbon nanotubes）

美國萊斯大學(xué)（Rice University）解決了電池樹突（晶枝，dendrite）難題，該研究難題長期困擾著電池研究人員，該大學(xué)研發(fā)的鋰金屬電池的電容量是商用鋰離子電池的三倍。

萊斯大學(xué)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將鋰保存在一種獨(dú)特的陽極中，該陽極采用了新工藝，由石墨烯（graphene）與碳納米管（carbon nanotubes）混合制成。據(jù)研究人員透露，樹突等鋰離子積聚物將滲入電池的電解質(zhì)。若樹突造成陽極與陰極接觸，將導(dǎo)致短路，電池降可能因此而報(bào)廢。更有甚者，該電池將因此而起火或爆炸。

萊斯大學(xué)的化學(xué)家James Tour負(fù)責(zé)主導(dǎo)該研究項(xiàng)目，據(jù)他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)新電池充電后，鋰金屬表面將覆有一層均勻的碳混合物（highly conductive carbon hybrid），該物質(zhì)導(dǎo)電性強(qiáng)，碳納米管與石墨烯表面緊密粘合。

Tour表示，新款陽極的碳納米管簇（nanotube forest）密度低，表面積大，有足夠的空間來安置電池充放電時(shí)游動(dòng)的鋰離子顆粒。鋰金屬分布均勻，電解質(zhì)內(nèi)帶電鋰離子將擴(kuò)散開來，抑制樹突的增生。

Tour表示：“許多人做電池研究，僅僅專注于陽極，因?yàn)獒槍?duì)整個(gè)電池的研究難度更大。我們?yōu)榇搜邪l(fā)了一項(xiàng)配套的硫基陰極技術(shù)，與第一代超高容量的鋰金屬陽極相配套。目前，研究團(tuán)隊(duì)正在重新生產(chǎn)這類電池、陰極及陽極，用于中試試驗(yàn)（pilot scale），上述材料正在測試中。”

肯塔基大學(xué)（University of Kentucky）與中國研究團(tuán)隊(duì)

關(guān)鍵詞：硅基氧化物陽極、非黏合性硅基氧化物/碳復(fù)合物、微型SiOx/C芯殼（core–shell）復(fù)合物

在充電周期內(nèi)，當(dāng)電芯里的硅在與鋰交互時(shí)，其膨脹收縮可達(dá)300%。而隨著時(shí)間的推移，它會(huì)明顯降低電池的性能、短路、并最終導(dǎo)致電池報(bào)廢。為改進(jìn)上述缺點(diǎn)并大體維持電池的能量密度，目前采用一氧化硅（SiOx， x ≈ 1）來制作鋰離子電池的陽極。

硅基氧化物陽極的應(yīng)用

硅基氧化物的可逆比容量（reversible specific capacity）較高，循環(huán)性能也有所提升。然而，該材質(zhì)仍不可避免地出現(xiàn)體積改變，且導(dǎo)電性弱。如今，中國和美國的研究團(tuán)隊(duì)各自發(fā)表了研究結(jié)果，找到了兩種新的改進(jìn)方法。

美國團(tuán)隊(duì)的研究成果：非黏合性硅基氧化物/碳復(fù)合物

肯塔基大學(xué)（University of Kentucky）研究團(tuán)隊(duì)將硅基氧化物顆粒物與硫酸鹽木質(zhì)素（Kraft lignin）混合后，合成了一種高性能的非黏合性硅基氧化物/碳復(fù)合物（binder-free SiOx/C），用于制作鋰離子電池的電極。經(jīng)熱處理后，木質(zhì)素形成一種導(dǎo)電體（conductive matrix），可容納大量的硅基氧化物顆粒，確保電子導(dǎo)電率（electronic conductivity）、連接性、適應(yīng)鋰化/脫鋰反應(yīng)（lithiation/delithiation）期間的體積變動(dòng)。該材質(zhì)無需采用常規(guī)的粘合劑或?qū)щ妱?/p>

該復(fù)合材質(zhì)制作的電極的性能表現(xiàn)極為出色。相較于體積變化率相對(duì)較小的硅基氧化物電極（160%）而言，其機(jī)械電化學(xué)性能較為出色，木質(zhì)素碳素矩陣（carbon matrix）的彈性較大，可適應(yīng)體積變動(dòng)。

中國團(tuán)隊(duì)的研究的成果：微型SiOx/C芯殼（core–shell）復(fù)合物

中國研究團(tuán)隊(duì)則研發(fā)了一款高效的解決方案，制備微型SiOx/C芯殼（core–shell）復(fù)合物。該研究團(tuán)隊(duì)將檸檬酸（citric acid）與經(jīng)球磨而制的硅基氧化物相混合使其碳化，隨后就獲得了一款質(zhì)地均勻的SiOx/C芯殼復(fù)合物——SiOx微芯與檸檬酸碳?xì)ぃ╟onformal carbon shell）。

碳?xì)ご蠓嵘斯杌趸锏碾妼?dǎo)率，緩和了適應(yīng)鋰化/脫鋰反應(yīng)期間的體積變化。采用SiOx/C復(fù)合物制作的電極，其可逆比容量為1296.3 mAh/g，庫倫效率（coulombic efficiency）高達(dá)99.8%，充放電200次后，容量保持率在65.1%（843.5 mAh/g）。

據(jù)該研究團(tuán)隊(duì)透露，該復(fù)合物的放電效能極為出色，該方法可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，具有成本效益，可大批量生產(chǎn)由SiOx/C復(fù)合物制作的高性能陽極材料。

美國德雷塞爾大學(xué)（Drexel University）與中國團(tuán)隊(duì)

關(guān)鍵詞：MXene材料、“近即時(shí)（near-instant）”充電、超級(jí)電容器

據(jù)外媒報(bào)道，美國德雷塞爾大學(xué)（Drexel University）的材料科學(xué)與工程學(xué)專業(yè)的研究員們與法國、以色列研究人員共同設(shè)計(jì)了新款鋰電池電極，或許未來電動(dòng)車的充電耗時(shí)只需短短數(shù)秒。

新款鋰離子電池電極簡介

新款鋰電池的電極采用了一款名為MXene的二維材料，其導(dǎo)電性高。據(jù)研究團(tuán)隊(duì)透露，未來新款鋰電池或許能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的“近即時(shí)（near-instant）”充電。

研究員Gogotsi在一份聲明中宣稱：“我們抽取了薄薄的一層MXene電極，用于演示充電速率，整個(gè)充電過程只需數(shù)十毫秒。這主要得益于MXene材質(zhì)的超高導(dǎo)電性，為未來研發(fā)超快速儲(chǔ)能設(shè)備鋪平了道路，未來鋰電池的充放電耗時(shí)將僅需數(shù)秒，且所儲(chǔ)存的電能要遠(yuǎn)高于常規(guī)的超級(jí)電容器。”

MXene材質(zhì)簡介

MXene是一款扁平的納米材料，于2011年被德雷塞爾大學(xué)材料科學(xué)與工程系的研究人員所發(fā)現(xiàn)，其外觀酷似三明治，由氧化物與導(dǎo)電的碳及金屬填充物構(gòu)成，而氧化物相當(dāng)于三明治中的面包，將填充物夾在中間。在材料制造過程中，研究人員將采用層壓法來制作MXene。

MXene材質(zhì)電極的弊端及改進(jìn)

為使MXene的鋰離子能自由移動(dòng)，研究人員對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的調(diào)整。研究人員將MXene與水凝膠（hydrogel）相混合，改變了其結(jié)構(gòu)，使鋰離子能自由移動(dòng)。

Yury Gogotsi表示：“理想的電極架構(gòu)是多通道結(jié)構(gòu)（multi-lane），以便鋰離子高速移動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的大孔隙電極設(shè)計(jì)恰好實(shí)現(xiàn)了該目標(biāo)，使充電過程短短數(shù)秒內(nèi)完成。”

MXene電極的未來展望

Gogotsi表示，采用MXene作為電極材料的最大好處在于其導(dǎo)電性。但研究團(tuán)隊(duì)也承認(rèn)，該電極材料及相關(guān)技術(shù)看似頗具前景，但目前仍不確定試制成功并用于車輛后的實(shí)際情況，但他們表示，一旦應(yīng)用到車輛及手機(jī)中，將徹底顛覆當(dāng)前所用的電池。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)（Technical University of Munich，TUM）

關(guān)鍵詞：磷酸鈷鋰陰極、微波合成法

據(jù)外媒報(bào)道，慕尼黑工業(yè)大學(xué)（Technical University of Munich，TUM）研發(fā)了一項(xiàng)新工藝，用于生產(chǎn)高壓陰極材料磷酸鈷鋰（lithium cobalt phosphate），使其生產(chǎn)更為快捷、方便，且價(jià)格便宜、品質(zhì)最優(yōu)，進(jìn)一步提升了電動(dòng)車車載電池的性能。

TUM研究員Jennifer Ludwig博士研發(fā)了微波合成法（microwave synthesis）：只需使用一個(gè)小型微波爐，再耗費(fèi)0.5小時(shí)，就能生產(chǎn)出高純度的磷酸鈷鋰。首先，將溶劑放入聚四氟乙烯（Teflon）容器內(nèi)，加入試劑后用微波爐加熱。微波爐的功率無需太高，只要600瓦就夠用了，所需的反應(yīng)溫度在250℃，在該條件下可觸發(fā)結(jié)晶反應(yīng)。

Jennifer Ludwig闡明了反應(yīng)機(jī)理，分離出化合物，并確定其結(jié)構(gòu)及特性。由于新的化合物不適合作為電池材料，她修改了該反應(yīng)條件，從而只生成其所需的磷酸鈷鋰。

Jennifer Ludwig的研究工作獲得了寶馬的支持，她與勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）、斯坦福同步加速器輻射光源（Stanford Synchrotron Radiation Lightsource，SSRL）及Walther-Meiner-Institut（WMI）共同開展該項(xiàng)研究合作。

弗吉尼亞州立邦聯(lián)大學(xué)（VCU）

關(guān)鍵詞：固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電率、鋰超離子導(dǎo)體

Li3SBF4晶體結(jié)構(gòu)示意圖

據(jù)外媒報(bào)道，弗吉尼亞州立邦聯(lián)大學(xué)（Virginia Commonwealth University，VCU）研究人員設(shè)計(jì)了新款鋰超離子導(dǎo)體（lithium superionic conductor），其鋰離子導(dǎo)電性可媲美有機(jī)電解液（organic liquid electrolytes）。

研究人員在論文中宣稱，基于團(tuán)簇（Cluster）的鋰離子超導(dǎo)體的導(dǎo)電性極高，室溫下為0.01S/cm到0.1 S/cm以上，而活化能（activation energy ）較低，低于0.210 eV，能帶間隙（band gap）為8.5 eV。此外，其機(jī)械性能表現(xiàn)也極為出色，彈性十足，可抑制鋰樹突的增多。

Li3SBF4材料的物理模型

在鋰離子電池中，帶正極的鋰離子通過電解質(zhì)進(jìn)行流動(dòng)。固態(tài)電解質(zhì)可提升安全性、能量值及能量密度。然而，鋰離子卻在液態(tài)電解質(zhì)內(nèi)卻能自由流動(dòng)。鋰離子在固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)性較差，對(duì)導(dǎo)電性產(chǎn)生不利影響。

為提升固態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電性，研究人員制作了一款計(jì)算模型，可去除單個(gè)負(fù)離子。負(fù)離子團(tuán)簇將取代空缺的離子，前者是原子團(tuán)簇，其所帶電子（electrons）要多于質(zhì)子（protons）。

VCU研究團(tuán)隊(duì)的方弘（Hong Fang）博士和Puru Jena教授實(shí)現(xiàn)了特定固態(tài)電解質(zhì)扭曲（twist）的具象化，前者由其他人員進(jìn)行過測試。最初，該電解質(zhì)歸屬于反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（antiperovskite）的晶族（family of crystals），其所含的正離子由三個(gè)鋰原子級(jí)一個(gè)氧原子構(gòu)成，正離子與單個(gè)氯原子相結(jié)合，因?yàn)楹笳呤秦?fù)離子。

在運(yùn)算建模中，他們用一個(gè)負(fù)離子取代了氯原子，該負(fù)離子由一個(gè)硼原子和四個(gè)氟原子組成。

Li3S（BF4）0.5Cl0.5的晶體結(jié)構(gòu)示意圖

據(jù)其研究發(fā)現(xiàn)，鋰超離子導(dǎo)體Li3SBF4與Li3S（BF4）0.5Cl0.5大體上擁有成為理想固態(tài)電解質(zhì)的潛質(zhì)。

Li3SBF4的能帶間隙為8.5 eV，RT導(dǎo)電性為0.01S/cm，活化能為0.210 eV，形成能（formation energy）相對(duì)較小，機(jī)械性能也很理想。而Li3S（BF4）0.5Cl0.5的RT導(dǎo)電性大于0.1S/cm，活化能為0.176 eV。

兩位專家共同致力于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試其計(jì)算模型，旨在探究鋰離子電池應(yīng)用的最終形態(tài)。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校科克雷爾工程學(xué)院

關(guān)鍵詞：納米金屬箔、納米級(jí)合金陽極

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（The University of Texas at Austin，UT-Austin）科克雷爾工程學(xué)院（Cockrell School of Engineering）的研究人員發(fā)現(xiàn)了新陽極材料族（material family）——納米金屬箔，使鋰電池陽極的充電電量（charge capacity）翻一番，這意味著未來儲(chǔ)能系統(tǒng)將變得更高效。

新陽極材料組可節(jié)省大量的陽極制造時(shí)間及材料用量，只需簡單的兩步，就能實(shí)現(xiàn)鋰離子陽極的量產(chǎn)化。相較于當(dāng)前鋰離子電池所采用的石墨及黃銅陽極，研究人員所創(chuàng)造箔材料的厚度與重量只有前者的四分之一。

Manthiram與他的團(tuán)隊(duì)在研發(fā)新的陽極材料，該材料由共晶合金制成，采用機(jī)械軋制法，將其加工為納米結(jié)構(gòu)的金屬箔。

該研究的主要作者Kreder認(rèn)識(shí)到，或可采用傳統(tǒng)的金屬合金工藝，將微米級(jí)合金陽極（micrometer-scale alloy anode）加工為納米材料。

于利希研究中心與美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

關(guān)鍵詞：鐵-空氣電池、電極積聚物、電池容量

鐵-空氣電池（Iron–air batteries）的能量密度要遠(yuǎn)高于當(dāng)前的鋰離子電池。此外，其主要構(gòu)成物“鐵”的儲(chǔ)量十分富足，該材料的價(jià)格也很便宜。為此，于利希研究中心與美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）已成功觀測到電池運(yùn)行期間鐵電極上的積聚物是如何形成的，其觀測精度可達(dá)納米級(jí)。

鐵-空氣電池

據(jù)估計(jì)，鐵-空氣電池能量密度的理論值在1200 Wh/kg，相較之下，當(dāng)前鋰離子電池的能量密度約為600 Wh/kg，若將電芯外殼的重量納入考慮，其能量密度將低于350 Wh/kg。

鋰-空氣電池的最大能量密度將達(dá)到11400 Wh/kg，但其技術(shù)難度極大、復(fù)雜性較高。然而，如果按體積能量密度來比對(duì)，鐵-空氣電池的表現(xiàn)則更好：9700 Wh/l，幾乎是當(dāng)前鋰離子電池（2000 Wh/l）體積能量密度的5倍，鋰-空氣電池的體積能量密度“僅為”6000 Wh/l。對(duì)于眾多移動(dòng)設(shè)備而言，鐵-空氣電池的吸引力依然很大，因?yàn)轶w積（空間）要求也成為了移動(dòng)應(yīng)用的一項(xiàng)重要參數(shù)指標(biāo)。

于利希研究中心采用了美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室納米材料科學(xué)中心（Center for Nanophase Materials Sciences）的原位電化學(xué)原子力顯微鏡（in situ electrochemical atomic force microscopes）對(duì)鐵-空氣電池的充放電情況進(jìn)行觀察，并確認(rèn)氧化鐵顆粒（Fe（OH）2）是如何形成于鐵電極之上的。

（電極）積聚物提升電池容量

積聚物的納米多孔層（nanoporous layer）會(huì)增大電極的活性表面積（active surface area），在充放電周期后，其電池容量會(huì)小幅提升。得益于該研究調(diào)查，研究人員首次獲得了納米多孔層增生的清晰脈絡(luò)圖。

然而，距該產(chǎn)品的市場成熟尚有一段時(shí)間。研究人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了數(shù)千次的充放電試驗(yàn)，盡管鐵質(zhì)孤島電極（isolated electrodes）在運(yùn)行時(shí)并未出現(xiàn)較大的能量損失，但鐵-空氣電池在采用空氣電極作為電池的另一極后，充放電次數(shù)卻只維持在20-30次。

未來，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室與于利希研究中心或?qū)⒑炗喓献鲄f(xié)議，因?yàn)殡p方自2008年后就加強(qiáng)了在各個(gè)科研領(lǐng)域內(nèi)的研究。

上海復(fù)旦大學(xué)能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心

關(guān)鍵詞：富鋰陰極、非石墨烯化、硬碳、預(yù)鋰化硬碳

上海復(fù)旦大學(xué)能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的研究人員采用了耐寒型硬碳陽極及功能強(qiáng)大的富鋰陰極（lithium-rich cathode）。“非石墨烯化（Non-graphitizable）”或“硬（hard）”碳是電池內(nèi)的一款低成本電極材料，且頗具市場前景。即使在低溫下，可展現(xiàn)其快速的嵌鋰能力（intercalation kinetics of lithium ions）。在電池充放電期間，鋰離子可通過電解質(zhì)從陽極移動(dòng)至陰極，反之亦然。

現(xiàn)已證實(shí)，預(yù)鋰化硬碳（Prelithiated hard carbon）是一款功能強(qiáng)大的鋰離子電容器材料。然而，預(yù)鋰化工藝很復(fù)雜，也很費(fèi)錢，其涉及到純鋰電極。

研究人員引入了一款富鋰釩磷酸釩（lithium-rich vanadium phosphate）陰極，可用于鋰化及常規(guī)電池操作。在首次充電過程中，鋰離子會(huì)嵌入并存儲(chǔ)。然后，研究人員結(jié)合利用了鋰離子減少的磷酸釩陰極與預(yù)鋰化硬碳陽極（LixC），從而形成鋰離子電池工作系統(tǒng)。據(jù)研究人員解釋，該款電池保留了常規(guī)鋰離子電池的高能量密度，同時(shí)還展現(xiàn)了類似超級(jí)電容的的高電量及長使用壽命。

此外，在零下40攝氏度下，其電量保有量占到總量的2/3。相較之下，常規(guī)鋰電池的電量保有量只有10%。這主要得益于磷酸釩陰極的天然特性及預(yù)鋰化硬碳陽極的快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。目前，研究人員還在進(jìn)行進(jìn)一步測試，從而提升該款電化學(xué)電池的其他參數(shù)。

但該款產(chǎn)品存在一個(gè)瑕疵，在極寒條件下，其電解質(zhì)將喪失導(dǎo)電性。若能解決該問題，該電池系統(tǒng)或許能提供具有吸引力的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其最佳性能，提升電動(dòng)車電池的抗寒能力。

滑鐵盧大學(xué)

關(guān)鍵詞：鋰金屬、磷、硫、電解液

滑鐵盧大學(xué)的新研究或?qū)⑹闺姵匮邪l(fā)取得突破性進(jìn)步，使電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程數(shù)翻三倍。該項(xiàng)技術(shù)突破包括：采用鋰金屬制作的負(fù)極，該材料或?qū)⒋蠓嵘姵氐膬?chǔ)能。

儲(chǔ)能或能量密度的提升或?qū)⑹闺妱?dòng)車的續(xù)航里程數(shù)從200公里飆升至600公里。在創(chuàng)建該項(xiàng)技術(shù)時(shí)，Pang及其同事們不得不克服兩項(xiàng)技術(shù)難題。

研究人員向電池的電解液內(nèi)加入了磷及硫等化學(xué)物質(zhì)，同時(shí)克服了上述兩項(xiàng)難題。該化學(xué)物將同電池內(nèi)的鋰金屬電極發(fā)生反應(yīng)，研究人員還為該電池電極涂覆了極薄的保護(hù)層。

該方法提升了電池性能，發(fā)揮了鋰金屬電極的優(yōu)點(diǎn)，提升了電池的儲(chǔ)能容量，在不犧牲安全性或降低電池使用壽命的前提下，大幅提升了電池的續(xù)航里程數(shù)。

美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

關(guān)鍵詞：電極裂縫

美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的研究人員提出了新的鋰離子電池設(shè)計(jì)理念，其電機(jī)內(nèi)部存在裂縫，可在汽車事故中避免電池故障風(fēng)險(xiǎn)。

該設(shè)計(jì)理念或?qū)⒃试S電池制造商按比例縮小外殼材料，這類材料通常可防止電動(dòng)車出現(xiàn)機(jī)械損壞，提升整體能量密度及成本。該團(tuán)隊(duì)對(duì)樣品進(jìn)行了壓力測試，利用大金屬球按壓標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池。在按壓該款電池后，其外形酷似番茄，但其電池容量依舊能達(dá)到初始值的93%。若換作標(biāo)準(zhǔn)電池，同等傷害會(huì)導(dǎo)致電池充分放電并出現(xiàn)故障。

對(duì)于該款重新設(shè)計(jì)的電池而言，電極的裂縫制作只會(huì)增加少量制造成本，并不要求對(duì)該款電池進(jìn)行大幅改動(dòng)，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為未來該技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模將擴(kuò)大。然而，目前還需要做更多的測試。

加州大學(xué)河濱分校（URC）伯恩斯工程學(xué)院

關(guān)鍵詞：硅硫燃料電池架構(gòu)、硅硫燃料電池

據(jù)外媒報(bào)道，加州大學(xué)河濱分校（University of California， Riverside，URC）伯恩斯工程學(xué)院（Bourns College of Engineering）的研究人員研發(fā)了新技術(shù)，利用硫電極及硅電極制造了高性能的鋰離子電池。

該款硅硫燃料電池（SSFC）架構(gòu)逐步將受控純鋰離子整合到電池系統(tǒng)中，在C/10條件下，充放電250次后，其能量密度仍高達(dá)350 Wh/kg。

研究人員采用了納米硅結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電劑（conductive additives）及粘合劑（binders）等方法，最終解決了上述問題，為燃料電池制備了硫陰極及硅陽極。

目前，研究人員利用硫化鋰（lithium sulfide）或硅化鋰等預(yù)鋰化（pre-lithiated）材料，使燃料電池的能量密度高達(dá)600Wh/kg。然而，這類燃料電池的充放電次數(shù)通常很短，一般不足50次，且該類材料還需要采用專用設(shè)備，在加工時(shí)也存在諸多限制條件。

為創(chuàng)建新架構(gòu)的SSFC，該團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)燃料電池架構(gòu)的技術(shù)上新增了一片鋰箔（lithium foil），使鋰箔能與集電器（current collector）發(fā)生接觸，在充放電時(shí)將鋰箔整合到燃料電池體系中，從而控制鋰離子的嵌入量。

在半電池（half cells）中，將采用純鋰作為陽極材料，這將引起用戶對(duì)枝狀晶體生長（樹突形成，dendrite formation）及鋰腐蝕等安全性問題的擔(dān)憂。在全電池（full-cell）模式下，可用硅來制作陽極，可緩解因純鋰陽極所引發(fā)的安全問題，同時(shí)確保燃料電池獲得所需的高電量。

該方法使得受控的鋰載荷可彌補(bǔ)固體電解質(zhì)界面膜（SEI）形成及鋰降解，提升燃料電池的循環(huán)壽命（cycle life）。此外，該電池還采用了交流阻抗（EIS）、循環(huán)伏安法（CV）及恒電流間歇滴定法（GITT）等多種方法。該研究將為未來的硅硫燃料電池的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

亞利桑那州立大學(xué)（ASU）

關(guān)鍵詞：陶瓷、鋰離子電池

亞利桑那州立大學(xué)（ASU）的專家Chan提出用陶瓷來替代易燃的電解液，大部分安全問題都是由于短路引起的，電解液易著火，并引起氣體散發(fā)及材料降解等連鎖反應(yīng)。

最重要的安全措施在于：避免鋰離子相關(guān)電子設(shè)備的過充或過熱。若將電池暴露在高溫環(huán)境下，將導(dǎo)致電池壽命縮短。團(tuán)隊(duì)正在探索將具有鋰離子導(dǎo)電性的陶瓷納米材料與聚合物相融合，旨在獲得理想的固態(tài)電解質(zhì)，并確保其良好的機(jī)械性能、較高的鋰離子導(dǎo)電性及提升其安全性能。

美國化學(xué)學(xué)會(huì)期刊（ACS journal）《納米快報(bào)》

關(guān)鍵詞：空腔二氧化硅微球結(jié)構(gòu)、非均質(zhì)結(jié)構(gòu)、復(fù)合微型籠式結(jié)構(gòu)

美國化學(xué)學(xué)會(huì)期刊（ACS journal）《納米快報(bào)》發(fā)表了一篇論文，研究人員采用空腔二氧化硅微球（hollow silica microspheres）結(jié)構(gòu)，用于容納鋰離子，其碳納米管內(nèi)心可抑制枝晶生長（dendrite growth）。由于枝晶生長被抑制，在進(jìn)行200多次充放電后，其電極仍能保持高速鍍/汽提效率高達(dá)99%。

最近，業(yè)內(nèi)提議采用電解液添加劑（electrolyte additives）、穩(wěn)定的界面層（stable interfacial layers）及修飾電極（modified electrodes）等多種方式，旨在解決鋰金屬陽極的關(guān)鍵性問題。現(xiàn)已證實(shí)，利用架構(gòu)調(diào)整鋰枝晶積聚是最高效的方式。

盡管非均質(zhì)結(jié)構(gòu)（heterogeneous structure）在調(diào)節(jié)沉積行為（deposition behavior）中發(fā)揮著重要作用，但鋰金屬的精細(xì)管控機(jī)制受限于電泳條件（deposition conditions），如：沉積性能（deposition capacity）及電流密度（current density）。因此，若沉積性能過高，需要改進(jìn)該款非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，需要引導(dǎo)，使其均勻沉淀法。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了復(fù)合微型籠式結(jié)構(gòu)（composite microcage），搭配碳納米管內(nèi)芯（carbon nanotube core）及多孔硅護(hù)層（porous silica sheath）。復(fù)合微型籠式結(jié)構(gòu)可容納鋰金屬，其非均質(zhì)結(jié)構(gòu)可被用作鋰離子捕獲器（trapper）。

在實(shí)驗(yàn)過程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)能高效地截留鋰金屬，其電化學(xué)性能（electrochemical performance）極佳。

蓋世小結(jié)

本文收錄的大部分研究機(jī)構(gòu)及院校均從新材料方面著手，期望采用新材料及工藝，提升電池的電容量，從而提升電動(dòng)車的續(xù)航里程數(shù)。也有部分研究機(jī)構(gòu)從電池結(jié)構(gòu)方面入手，提升電池的電化學(xué)性能。

目前業(yè)內(nèi)許多公司，紛紛從陽極、陰極材料入手，一方面期望提升鋰離子的流動(dòng)率，另一方面考慮更換稀土金屬，采用價(jià)格相對(duì)低廉的常規(guī)材料，降低電動(dòng)車車載電池的成本，促進(jìn)電動(dòng)車的推廣。

固態(tài)電池也成為了電池技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)向，相信2018年一定會(huì)有更多的電池技術(shù)公布，敬請(qǐng)期待！