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)擴大，人們也在積極尋找鋰系統(tǒng)的許多潛在替代品?，F(xiàn)在似乎是分享這些新系統(tǒng)最新工作近況的好時機。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機：

全球能源需求正在迅速增長。每當(dāng)你拿出你的智能手機時，不管是為了莊稼的種植而檢查天氣情況，還是獲得公交時刻表的最新消息，或者只是為了找出關(guān)于某個名人的娛樂新聞，你就是在為這個能源的使用做出貢獻。人們普遍認為，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準的高容量鋰技術(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，其機械強度和離子電導(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，但是事實證明，在制造期間實現(xiàn)精確控制是很棘手的一個問題。

在美國幾家不同機構(gòu)工作的團隊開發(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)張強提出了這個問題的解決方案)，來自中國的一個團體設(shè)計了他們所謂的“拉鏈式”SEI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)機制自動修復(fù)裂縫。在“AdvancedEnergyMaterials”雜志中，研究團隊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)動力學(xué);然而，由于鈣從標準有機電解質(zhì)緩慢擴散到活性材料中，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有趣的替代物，而且這個系統(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。

德國和瑞士的一個合作小組也對石墨作為插層電極的使用進行了研究。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，通常人們認為有必要防止連續(xù)分解，但本研究中證實這種情況不存在。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，因為石墨顆粒從表面剝落形成結(jié)晶小板，但不會分層，這就避免了人們通常觀察到的如此大體積變化時的降解。

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)生和存儲的逐步改進。擁有更強大，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錢包里的智能手機?其實這并不像你想象的那么遙遠，不久的將來一定會實現(xiàn)的。