了解由聯(lián)合儲能研究中心（JointCenterforEnergyStorageResearch）為您帶來的新一代儲能技術(shù)的最新進展。

鋰電池如今可能是最流行的技術(shù)，然而下一代儲能設(shè)備可能會比你想象更快出現(xiàn)，新設(shè)備將更安全、更持久。

實現(xiàn)可再生能源電網(wǎng)和長途運輸業(yè)、水上運輸以及運輸?shù)戎匦瓦\輸脫碳要對電池進行創(chuàng)新。領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)新的機構(gòu)包括美國能源部（DOE）聯(lián)合儲能研究中心（JCESR），該中心由DOE的阿貢國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)。

JCESR科學(xué)家在阿貢國家實驗室的電化學(xué)實驗室合作研發(fā)下一代電池。（圖片由阿貢國家實驗室供應(yīng)）

自2013年起，JCESR的研究人員在"超越鋰離子"領(lǐng)域發(fā)明了更加廣泛多樣的技術(shù)。他們重要專注于液流電池、鋰硫電池、多價離子電池以及固態(tài)電池，并獲得30多項專利，目前均已獲得許可。

阿貢材料工程師兼JCESR研究人員BrianIngram說："開發(fā)的知識產(chǎn)權(quán)組合闡述了我們對如何從原子水平上構(gòu)建可以相互用途的分子，創(chuàng)建穩(wěn)定性強并且有效的電池級材料的一些基本理解。"

為何要超越鋰技術(shù)？

所有電池都包含3個部分：陽極，電池的負(fù)極；陰極，電池的正極；電解質(zhì)，一種可以使電流或電荷在陽極和陰極之間流動的化學(xué)材料。

有關(guān)鋰電池來說，當(dāng)電池啟動時，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致釋放出被稱為電子的帶負(fù)電粒子和被稱為鋰離子的帶正電粒子。鋰離子通過電解液從陽極移動到陰極。同時，來自陽極的電子穿過一條單獨的電路達到陰極，電子的運動出現(xiàn)電流，為設(shè)備供電。當(dāng)這些電池再次充電時，離子和電子回到陽極，準(zhǔn)備重新開始循環(huán)。

雖然鋰電池非常有用，但也存在一些缺點。電池要額外的物理保護來維持安全操作，但生產(chǎn)成本昂貴，并且在使用時長上也會受限。對下一代電池的研究專注于創(chuàng)造新的設(shè)計和材料，以克服這些限制，擴大電池的用途。

氧化還原液流電池

尤其是在電網(wǎng)領(lǐng)域，氧化還原液流電池被認(rèn)為是超越鋰電池技術(shù)的。和能夠在短時間內(nèi)供應(yīng)大量能量的鋰電池相比，液流電池更適合在更長時間內(nèi)供應(yīng)較低的能量。

JCESR的研究揭示了制造液流電池的比現(xiàn)在更具能量密度和效率的方法。在他們的知識產(chǎn)權(quán)范圍內(nèi)，專利解決了現(xiàn)有液流電池和一種新興技術(shù)的非水液流電池的一些局限性。

多價離子電池技術(shù)

JCESR的研究人員發(fā)現(xiàn)的多價金屬電池是另一種新興技術(shù)。和鋰相比，多價金屬可以實現(xiàn)更高的電荷密度，而鋰只能具有一個電荷。

由鎂、鈣等多價金屬制造的陽極具有和鋰相匹配甚至超越鋰的能量密度的潛力，而且通常更加豐富，使得陽極的價格更加低廉，更可持續(xù)。為了促進這項技術(shù)的發(fā)展，研究人員仍然要克服一系列的科學(xué)挑戰(zhàn)。JCESR的知識產(chǎn)權(quán)，尤其解決了在多價電池中制造穩(wěn)定電解液的相關(guān)挑戰(zhàn)，這是長期保持性能所必需的。

Ingram表示："這個空間中存在的電解質(zhì)只有在非常狹窄的條件下才穩(wěn)定。通過JCESR，我們已經(jīng)做了很多工作來擴大穩(wěn)定性范圍。"

鋰硫電池

在運輸方面，鋰硫（Li-S）電池是另一種超越鋰離子技術(shù)的電池，并且已經(jīng)展示出了巨大潛力。由于鋰硫電池的化學(xué)性質(zhì)，以及硫本身價格低廉，且比其他常見的陰極材料（如鈷、鎳、錳等）豐富，鋰硫電池可以以低于傳統(tǒng)鋰離子技術(shù)的成本存儲更多能源。然而，目前當(dāng)鋰硫電池放電時，可能會發(fā)生意外反應(yīng)，導(dǎo)致稱為多硫化物的材料在電池中積聚，從而縮短其循環(huán)壽命。

JCESR科學(xué)家們制定了應(yīng)對鋰硫電池這方面問題，以及限制技術(shù)研發(fā)的其他挑戰(zhàn)材料和工藝。他們的知識產(chǎn)權(quán)包括用于防止多硫化物材料在整個電池中擴散的粘合材料專利，以及用于制造硫磺制成的陰極的專利。

阿貢化學(xué)家兼JCESR研究人員LeiCheng表示："硫在陰極中的分布是極其重要的。希望硫粒子是小塊的，這樣可以有更多發(fā)生反應(yīng)的界面。在我們的專利中，我們提出了以一種最大化的新增材料中界面或活性點數(shù)量的方式來制造硫的工藝。"

固態(tài)電池和鋰金屬電池

在延長電動汽車壽命的努力中，世界各地的科學(xué)家們都在研究固態(tài)電池。這些電池使用的是不易燃的固態(tài)電解質(zhì)，可以取代傳統(tǒng)電池中易燃的液體電解液。

通過更換液體電解液，使固態(tài)電池的穩(wěn)定性更高，因此安全性更高。特別是一種固態(tài)鋰金屬電池，具有高能量密度，和目前的汽車上使用的鋰電池相比，可以實現(xiàn)更大的續(xù)航里程以及更快的充電速度。

盡管固態(tài)鋰金屬電池具有潛力，但會形成一種稱為鋰針狀枝晶的分支，這會使電池壽命和安全性都受到限制。在他們的知識產(chǎn)權(quán)中，JCESR研究人員為他們的陽極供應(yīng)了一種專利涂層，可以抑制樹枝晶的形成。此外，他們還開發(fā)了新的工藝和電池設(shè)計，以提高效率并延長壽命。總的來說，這項工作和他們在"超越鋰離子"領(lǐng)域展示了未來幾十年改善儲能的激動人心的機會。