鉅大LARGE | 點擊量：835次 | 2020年11月27日
鋰電池是否能被超越？
任何便攜式設備都需要一個電池。沒有電池科技，我們將不會有手機、手提電腦或者其他消費電子產品。對于鋰電池來說尤其如此。
自從上世紀80年代以來，電池研究已經發生了很大的變化。1980年代世界出現了第一代鋰金屬電池，在今天看來出現了復蘇的可能。在1991年，日本的索尼公司首次推出了鋰離子電池作為音樂播放器的電池，也許他們也沒有想到這會對世界產生如此巨大的影響。然而，現在出現了另外一個趨勢，即讓電池科技和電網相聯系起來。為了讓電動汽車和電網正常運行，我們就需要更大電池。研究人員也正在努力實現去鋰離子化，從而使電池達到一個新的高峰。
亞洲在鋰離子電池發展的霸主地位
1991年，自從索尼使用第一款商用鋰離子電池后，世界開始發生變化。在90年代，日本鋰離子電池設施類似于半導體晶圓廠。“電池發展開始從黑暗走向光明。”StevenVisco說。趕上了第一代鋰離子電池發展的時機，亞洲公司尤其是日本公司開始大力發展鋰離子電池相關的研究和專利。
當傳統電池制造商還著眼于一次性電池的發展時，鋰離子電池的問世可以說是當頭棒喝，給了美國市場非常大的震撼。經過短暫的醒悟后，三家大型電池公司——金霸王，雷特威和勁量試圖進入鋰離子電池行業，但是以失敗告終。
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-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
繼日本之后，韓國也開始發展鋰離子技術，之后是中國，而美國在這方面則遠遠落后了。“現在電池行業又迎來了變革的時刻，對于美國來說可以說是千載難逢的時機。”因此美國也在這方面投入了大量的科研經費，以期能夠趕上亞洲公司。得益于這筆資金，許多電池制造商紛紛崛起，尤其是在硅谷。
專注于鋰離子電池
對于電池技術方面的資助資金高達3.25億美元，作為FY16預算的一部分。其中的一部分會進行鋰離子電池相關研究，期望能夠獲得更好的電池標準。“目前的趨勢是制備更好的鋰離子電池電極。”GeorgeCrabtree說。
目前鋰離子電池的標準電極是二氧化鈷。然而，為了制備下一代鋰離子電池，研究人員必須以二氧化鈷電極為基礎，摻雜其他元素來提高其性能。而該研究的重點是電壓。由鈷、鎳和二氧化錳材料組成的電極可以具有更好的性能。“鋰離子電池的電壓為4.5V，但是如果你可以增加電池的電壓，例如增加到4.8V，那么你就可以增加電能密度。”Crabtree說。
由于鋰離子電池已經存在了超過25年，因此研究人員已經對其非常了解，鋰離子電池中使用的材料也非常標準和成熟。鋰離子電池中使用的陽極材料是石墨，而陰極材料則是氧化鈷或者二氧化鈷。近年來我們也經常聽到由于鋰離子電池中電解質的原因，會使得電池著火。
目前越來越多的電動汽車走上了馬路，而在鋰離子電池中則具有很多液態的電解質，而且這些電解質非常易燃。目前對于鋰離子電池的一大擔心則是，隨著能量密度的增加，電池的安全性問題也會成為一大問題。我們面臨著很多的安全性方面的挑戰，但是我們可以通過電池設計等方面來加以避免。在電池中設置一個管理系統，可以對其進行監測。一旦出現問題，可以將電池關閉。
在陽極材料方面，碳是一種相對較重的材料，而且隨著電池尺寸的要求越來越微小，研究人員傾向于選擇其他材料作為電池陽極。當談到離子液態的電解質在常溫下具有很高的鋰離子導電性，且不易燃、不易失。鋰金屬電池具有非常高的能量密度，遠高于現在的鋰離子電池。這樣的電池可以有效減少制作成本。
超越鋰離子電池
隨著全世界電網和電動汽車的發展趨勢，超越鋰離子電池的技術成為了競相追逐的對象，而這從能源部汽車技術辦公室投資1.25億美元用于相關領域就能看得出來。其中5400萬美元和電池科技新材料相關。
和鋰離子電池不同的是，研究人員需要考慮用于三種不同部分的材料：陽極、陰極和電解質。鋰—空氣電池是一個很好的例子。這種電池儲存的電量是傳統鋰離子電池的數倍，而這對于汽車等來說已經足夠了。
PolyPlu電池公司在2000年左右發明了水穩鋰電極，在鋰金屬電極附近形成一種陶瓷電解質，從而可以保護電極免受外部環境的影響。在這個發現的基礎上，該公司申請了發明專利，并且進一步開發了水基鋰—空氣電池。目前PolyPlus公司正在著手開發一種鋰硫水溶液電池，其能力可達到600Wh/l和400Wh/kg。
空氣電池類似的另一類電池就是鋰—硫電池。然而，鋰—硫電池面臨的最大挑戰就是硫，且如何使得其表現為絕緣材料。當硫和鋰接觸時，會形成復合物Li2S，也是一種絕緣體。這意味著該反應很難逆向進行，從而使得其很難對電池進行充電。
對于這個問題，人們提出了很多的解決方案。其中的一種方法就是，通過將Li2S的尺寸降低到納米級別來減小其影響。當電極的尺寸降低到納米級別時，即使是絕緣體也有可能導電，從而使得反應可以逆向進行。
談到液流電池，研究人員將晶體電極換成了液體。“新的材料有時可以兩次改變釩氧化態，而一些有機材料則可能多次改變它們的氧化態。因此，從原則上來說，一些新材料比釩更好。”Crabtree.說。該種技術的另一個優勢就是，由于選用的材料是有機材料，因此更加便宜。
儲能研究聯合中心的研究人員目前為液態電池開辟了新的方向，通過這種改進，研究人員可以更好地控制聚合物或者單個分子。另一項創新則是在聚合物之間構建了聯系，從而獲得的材料比單個分子更大。該方法的優點是，研究人員可以借此用多孔膜過濾掉活性物質，且價格非常低廉。
超越鋰離子電池技術的另一個方向則是使用鎂，因為鎂有兩個電荷，而鋰離子只有一個。但是每一次鎂離子在陰極和陽極之間進行來回運動時，可以帶有兩個電荷，且其要求的陽極、陰極和電解質材料都不一樣，因此，研究人員需要尋找三種新材料。該儲能研究聯合中心的研究人員最近發現了可以和鎂電極互相匹配工作的電解質。但是這也仍然是在非常早期的研究階段，還不能滿足商業化的要求，但是具有非常大的研究價值。
暢想未來
對于電池技術來說，另一項革命即將要到來，就像1991年的一樣，沒有人可以預測到這場革命對人們的生活將到來什么樣的影響。當市面上電動車的部署達到50%時，新的革命就將要開始了。目前雖然市場份額只有2%到3%，但是前景非常明朗。就像半導體革命開始的時候那樣，有很多的進步會發生，這對于電池的發展和商業化非常重要。對于全球來說，新一輪的競賽已經開始，美國也有實力與亞洲公司一較高下。
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