傳說中的2016電池技術(shù)突破

全固態(tài)鋰電池

韓國蔚山國立科技大學(xué)（UNIST）能源與化學(xué)工程學(xué)院Yoon Seok Jun教授與首爾國立大學(xué) Seng M. Oh教授牽頭的研發(fā)團隊開發(fā)出一種全固態(tài)鋰電池。

他們先將固體電解質(zhì)熔化，然后將熔化的電解質(zhì)涂抹在電極上。為解決粉末狀固體電解質(zhì)和電極活性材料之間的接觸不活躍，使得鋰離子更難以移動到電極的問題，他們開發(fā)出了一種可以增強固體電解質(zhì)導(dǎo)電性的材料——甲醇液中添加碘化鋰（LiI）。

新開發(fā)的固體電解質(zhì)具有較高的離子導(dǎo)電性、無毒性，而且所采用電池原料和溶劑（甲醇）價格都比較便宜。相比于液態(tài)鋰離子來講，全固態(tài)鋰電池在循環(huán)性、安全性、功率衰減、壽命以及能量密度上都有明顯的優(yōu)勢，而且電壓更高，電池模組和系統(tǒng)設(shè)計起來更簡單。

目前困擾全固態(tài)電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化主要有兩個問題：一是固態(tài)電解質(zhì)在室溫條件下的離子電導(dǎo)率不高；二是固態(tài)電解質(zhì)與正負極之間界面阻抗比較大。

韓國推出的這款新型電池，在固態(tài)電解質(zhì)離子導(dǎo)電率上取得突破，而且所用的材料都比較便宜，如果技術(shù)成熟的化，將加快固態(tài)鋰電池投入商用化的進程。

鋁—石墨雙離子電池

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院唐永炳研究員及其團隊研發(fā)出鋁—石墨雙離子電池，據(jù)稱是一種全新的高效、低成本儲能電池。

這種新型電池，用石墨取代鋰電池里的鋰化合物，作為正極材料，用鋁箔作為負極材料和負極集流體。電解液則由常規(guī)鋰鹽和碳酸酯類有機溶劑組成。

在充電過程中，正極石墨發(fā)生陰離子插層反應(yīng)，而鋁負極發(fā)生鋁-鋰合金化反應(yīng)，放電過程則相反。這種新型反應(yīng)機理，不僅可以顯著提高電池的工作電壓（3.8-4.6V），同時大幅降低電池的質(zhì)量、體積及制造成本，從而全面提升全電池的能量密度（220 Wh/kg）。

該團隊成員表示，500kg的鋁-石墨電池的續(xù)航里程可達到約550公里。新型電池與傳統(tǒng)鋰電技術(shù)相比，鋁-石墨電池可將生產(chǎn)成本降低約40%-50%，能量密度提高至少1.3-2.0倍。

無鈷高電壓電池材料

Nano one公司宣布成功研制無鈷高電壓鋰電池正極材料——高電壓尖晶石。該材料只含鋰、錳、鎳而不含鈷元素，與已商業(yè)化的含鈷電池材料相比，具有輸出電壓高，壽命長，安全性高，電池容量和放電功率大的特點，同時降低了體積、重量、成本、環(huán)保和供應(yīng)鏈的風(fēng)險壓力。

新型復(fù)合金屬鋰電極材料

美國斯坦福大學(xué)著名材料學(xué)家崔屹與美國前能源部部長、諾貝爾物理獎得主朱棣文組成的研究團隊，在金屬鋰電極的實際應(yīng)用研發(fā)方面取得重大突破。

金屬鋰具有極高的理論比容量和理想的負極電位。以金屬鋰為負極的二次電池，具有高工作電壓、高能量密度等優(yōu)勢，使得金屬鋰成為當(dāng)今能源存儲領(lǐng)域的首選材料。

然而金屬鋰與電解液的副反應(yīng)，循環(huán)過程中的電極尺寸變化，以及鋰枝晶的形成。前者很大程度上降低了電池的庫倫效率，影響了其電化學(xué)性能；后兩者則會給金屬鋰電池帶來嚴(yán)重的安全隱患。

研究小組對材料表面特殊浸潤性進行深入研究后，首次提出了“親鋰性”這一概念，并利用表面“親鋰化”處理的碳質(zhì)主體材料，通過建立“親鋰”的界面材料體系，開創(chuàng)性地將金屬鋰融化之后，利用毛細作用吸入碳纖維網(wǎng)絡(luò)的空隙中，成功制備出含有支撐框架的復(fù)合金屬鋰電極。

新研究的復(fù)合金屬鋰電極在碳酸鹽電解液體系的循環(huán)過程中具有較小的尺寸變化、極高的比容量和良好的循環(huán)及倍率性能，其電壓曲線也相對平滑，突破了當(dāng)前制約金屬鋰電池商業(yè)化的主要問題。

復(fù)合金屬鋰電極由10%體積比的碳纖維和金屬鋰材料組成。碳纖維網(wǎng)絡(luò)具有良好的導(dǎo)電性，超高的機械強度和電化學(xué)穩(wěn)定性，因此，作為金屬鋰的主體框架材料是絕佳選擇。

與之前的相關(guān)研究相比，梁正等人將金屬鋰融化，并依據(jù)不同材料的浸潤性所提出的“親鋰”“疏鋰”概念，為金屬鋰電極研究提供了新思路，并且對其他領(lǐng)域的研究具有極高的借鑒作用。

新型鋰氧電池

由麻省理工學(xué)院（MIT）核科學(xué)與工程學(xué)院教授李巨領(lǐng)銜，與MIT、阿貢國家實驗室、北京大學(xué)等另外幾名成員研究團隊研發(fā)出了新型鋰氧電池。

傳統(tǒng)鋰空氣電池在放電過程中，鋰空氣電池從外界吸收氧氣，并與電池的鋰產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。在充電過程中，則產(chǎn)生相反的化學(xué)反應(yīng)，氧被重新釋放到空氣中。

而新型鋰氧電池，在充放電過程中，鋰元素與氧氣進行同樣的電化學(xué)反應(yīng)，整個過程中根本不需要氧元素的氣態(tài)變化。氧元素一直以固態(tài)形式存在，并可在三種氧化還原狀態(tài)中直接切換，產(chǎn)生三種不同的固體化合物——氧化鋰Li2O、過氧化鋰Li2O2以及超氧化鋰LiO2。

新型電池的奧秘在于創(chuàng)建一個極小的微粒，大約在納米級別，成玻璃狀的微?？赏瑫r包含鋰與氧，并緊緊被包圍在氧化鈷（cobalt oxide）的小矩陣?yán)铩?/p>

通常狀態(tài)下，納米鋰氧非常不穩(wěn)定，所以研究人員將它們放入了氧化鈷的矩陣之中。氧化鈷矩陣其實是一種類似海綿狀的物質(zhì)，每隔幾納米就有一個氣孔。氧化鈷矩陣一方面可以穩(wěn)定住納米鋰氧，另一方面，還可以充當(dāng)化學(xué)反應(yīng)的催化劑。

鋰空氣電池的一大缺點是電池充電與放電時電壓的不匹配。電池的輸出電壓比充電時的電壓要低1.2 伏還要多，這意味著在每一次完整充電過程中，都會產(chǎn)生巨大的能量損失。充電時，約30%的電量以熱量形式流失，如果充電速度過快，它都可以自燃。

鋰氧電池電壓損耗情況可以改善5倍以上，從1.2伏減為0.24伏，所以，僅有8%的電能被轉(zhuǎn)換成了熱量。這意味著汽車可以快速充電，因此電池組發(fā)燙的情況會解決，不再構(gòu)成安全隱患，而且電池的能源效率得到了保障。

鋰空氣電池其實是鋰干氧電池，因為它完全不能處理潮濕以及二氧化碳。所以鋰空氣電池使用的輸入型空氣需要認真處理。新電池完全不需要吸入以及排除氣體，這個困擾鋰空氣電池的問題迎刃而解。

此外，新型電池自身存在一種過度充電的保護機制，在過度充電情況下，化學(xué)反應(yīng)可以實現(xiàn)自我約束。一旦過度充電情況發(fā)生，化學(xué)物質(zhì)馬上轉(zhuǎn)變成另外一種形態(tài)，從而化學(xué)反應(yīng)中止。在循環(huán)負荷試驗中，新型電池的實驗室版本完成了120遍充電—放電的循環(huán)測試，整個過程下來，僅有2%的能量損失，這意味著這種電池或?qū)碛谐L壽命。

研究團隊表示，新電池使用的作為液體電解質(zhì)的碳酸鹽是最便宜的一種。此外，氧化鈷的重量還不到納米鋰氧重量的一半。整體而言，這種新型電池與鋰空氣電池相比，應(yīng)用更為廣泛、價格更為低廉、使用更為安全。

高性能石墨烯鋰電池材料

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機械研究所劉錦淮和黃行九課題組的副研究員劉金云等通過美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校和中科院合肥研究院合作，研制了一種基于三維石墨烯的復(fù)合電池材料。

這種材料具有高的活性材料負載量、短的離子電子傳輸路徑，而且電極材料組裝成電池不需要使用任何粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑等添加劑，電池具有高容量和優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。

他們研制的三維石墨烯/五氧化二釩電池正極材料，在12分鐘完全充/放電條件下，循環(huán)2000次后，電池容量大于200 mAh/g（大量文獻報道小于1000次、容量普遍低于150 mAh/g）；而且1分鐘充電的容量，達到商用和文獻報道的大于5分鐘的相近容量。

此外，該三維石墨烯復(fù)合電池材料結(jié)構(gòu)設(shè)計還可以應(yīng)用于鋰離子電池負極材料，比如研制石墨烯/硅復(fù)合負極，展現(xiàn)出良好的通用性。作為鋰離子電池的核心，電極活性材料普遍要求具有高容量和能量密度、長期循環(huán)穩(wěn)定和安全性。

可導(dǎo)電海綿狀MOF材料

美國麻省理工學(xué)院首次發(fā)現(xiàn)了具有導(dǎo)電性的金屬-有機框架化合物MOF材料（metal-organic frameworks），具有極高的儲能密度，有望能夠成為新一代超級電容/電池技術(shù)的核心材料。

海綿狀微觀結(jié)構(gòu)的新型MOF材料由于結(jié)構(gòu)特性，具有極高的材料表面積，由此可以制備具極高儲能密度的超級電容器，被證明可在一定條件下具有導(dǎo)電性。

傳統(tǒng)采用碳納米管材料（具有極好的中孔性能和導(dǎo)電性）制得的超級電容器，儲能密度比較高，但制備條件非常嚴(yán)苛，且成本高昂。

這種海綿狀的新型MOF材料制備的超級電容比碳納米管超級電容氣儲能密度更高，假如成本能夠有所降低的話，那么它或許會取代碳納米管超級電容器的地位。