去年4月，本文作者LisaSmith看了一下發(fā)表在“Advanced”雜志家族上的最新的鋰電池研究成果。一年多之后，目前科研人員對電池技術(shù)的研究似乎將繼續(xù)擴(kuò)大，人們也在積極尋找鋰系統(tǒng)的許多潛在替代品。現(xiàn)在似乎是分享這些新系統(tǒng)最新工作近況的好時(shí)機(jī)。但首先，我們需要快速了解一下這一大規(guī)模國際努力背后的動(dòng)機(jī)：

全球能源需求正在迅速增長。每當(dāng)你拿出你的智能手機(jī)時(shí)，不管是為了莊稼的種植而檢查天氣情況，還是獲得公交時(shí)刻表的最新消息，或者只是為了找出關(guān)于某個(gè)名人的娛樂新聞，你就是在為這個(gè)能源的使用做出貢獻(xiàn)。人們普遍認(rèn)為，可持續(xù)性是非常重要的，但對某些原材料的需求正在變得具有不可持續(xù)性，特別是政策的變化和我們使用技術(shù)的方式推動(dòng)了從化石燃料向更清潔的電化學(xué)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。目前的商業(yè)電池技術(shù)不具備或無法滿足人們所期望的能量密度（即每克材料所能產(chǎn)生的能量）。

為了解決可持續(xù)能源生成和儲(chǔ)存的關(guān)鍵問題，研究人員正在探索用新材料作為電池的電極和電解質(zhì)，并創(chuàng)造諸如可穿戴或可折疊設(shè)備的靈活性或透明性等新功能。

對更高能量和功率密度的需求促進(jìn)了人們對固體電解質(zhì)的研究，這可能有助于人們獲得更多超出標(biāo)準(zhǔn)的高容量鋰技術(shù)。目前科研人員正在研究三種類型的固體電解質(zhì)：聚合物，硫化物和氧化物。聚合物是最容易使用的，但與硫化物和氧化物相比，其機(jī)械強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率較低。需要將固體電解質(zhì)加工成非常薄的薄膜以使充電/放電期間的電流最大化，但是事實(shí)證明，在制造期間實(shí)現(xiàn)精確控制是很棘手的一個(gè)問題。

圖片顯示為薄固體電解質(zhì)，該固體電解質(zhì)僅為0.4μm厚，由納米板的熔融膜形成

在美國幾家不同機(jī)構(gòu)工作的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了β-Li3PS4固體電解質(zhì)膜，其厚度僅為0.4μm。這些膜與金屬鋰陽極電化學(xué)相容，并且不需要硫化物基固體電解質(zhì)的典型高加工溫度。他們的三步法在“AdvancedEnergyMaterials”的封面上刊登了出來，涉及在鎳基底上蒸發(fā)誘導(dǎo)的Li3PS4·2ACN（乙腈）納米片的面對面堆疊組裝，產(chǎn)生均勻的薄膜。加熱至180°C以上可除去ACN，提供良好的離子導(dǎo)電性，并將薄膜轉(zhuǎn)化為β-Li3PS4；施加200MPa然后使薄膜熔化，增加它們的密度。發(fā)現(xiàn)前體的濃度決定了膜的厚度，為更好地控制固體硫化物電解質(zhì)膜的形成提供了一條簡單、可處理的途徑。

相反，解決鋰枝晶形成的問題（清華大學(xué)張強(qiáng)提出了這個(gè)問題的解決方案），來自中國的一個(gè)團(tuán)體設(shè)計(jì)了他們所謂的“拉鏈?zhǔn)健盨EI薄膜。而不是抑制SEI層中的應(yīng)力引起的缺陷，正如大多數(shù)當(dāng)前的方法所做的那樣，這些薄膜能夠使用自修復(fù)機(jī)制自動(dòng)修復(fù)裂縫。在“AdvancedEnergyMaterials”雜志中，研究團(tuán)隊(duì)解釋了他們是如何用有序的凹坑圖案化陽極表面的，從而形成網(wǎng)狀SEI薄膜，減少極化。這使得鋰離子通量更加均勻，并且提高了電鍍/剝離循環(huán)期間的性能。

鈣的天然豐富度吸引了另一群中國人研究可充電的鈣離子電池系統(tǒng)。在正在研究的多價(jià)陽離子中，鈣的還原電位最接近鋰，它顯示出更高的安全性和較快的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)；然而，由于鈣從標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)電解質(zhì)緩慢擴(kuò)散到活性材料中，鈣系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常差（循環(huán)穩(wěn)定性少于50次循環(huán)）以及工作電壓很低。

鈣離子是鋰離子的一個(gè)有趣的替代物，而且這個(gè)系統(tǒng)是迄今為止最穩(wěn)定的

科研人員使用膨脹石墨電極：一種允許嵌入Ca2的材料，而不僅僅是從金屬鈣電極上電鍍和剝離的材料，他們開發(fā)了一種具有碳酸鹽電解質(zhì)和Ca（PF6）2的系統(tǒng)。他們在“AdvancedScience”中的論文中講述了他們?nèi)绾我?C的電流速率實(shí)現(xiàn)了66mAhg-1的特定容量，具有4.6V的高工作電壓。關(guān)鍵的是，他們的鈣離子電池的放電容量在300次循環(huán)后仍保持了62mAhg-1（此時(shí)電量保留率為94％），這是迄今為止鈣系統(tǒng)所表現(xiàn)出的最穩(wěn)定的性能。

德國和瑞士的一個(gè)合作小組也對石墨作為插層電極的使用進(jìn)行了研究。他們探討了它在鈉離子電池系統(tǒng)中的應(yīng)用機(jī)制，特別是它在循環(huán)過程中如何保持這種良好的穩(wěn)定性，盡管電極材料在循環(huán)過程中會(huì)發(fā)生類似于“呼吸”的行為，盡管它顯然沒有形成任何SEI層，通常人們認(rèn)為有必要防止連續(xù)分解，但本研究中證實(shí)這種情況不存在。他們在“AdvancedEnergyMaterials”論文中闡明，即使電極體積膨脹和收縮約為70-100％，它仍然保持穩(wěn)定，因?yàn)槭w粒從表面剝落形成結(jié)晶小板，但不會(huì)分層，這就避免了人們通常觀察到的如此大體積變化時(shí)的降解。

石墨嵌入電極允許鈉絡(luò)合物（a）嵌入層（b）之間，并且即使沒有任何SEI形成，系統(tǒng)也是十分穩(wěn)定的

一如既往的，我們在商業(yè)化這些技術(shù)之前還有一段很長的路要走，但我期待看到清潔能源產(chǎn)生和存儲(chǔ)的逐步改進(jìn)。擁有更強(qiáng)大，更持久的電池將意味著后代能夠以可持續(xù)的方式使用功能日益強(qiáng)大的便攜式電子系統(tǒng)。那么那些額外的功能呢？例如可以折疊后放進(jìn)錢包里的智能手機(jī)？其實(shí)這并不像你想象的那么遙遠(yuǎn)，不久的將來一定會(huì)實(shí)現(xiàn)的。

本文摘自：材料科技在線