人們對(duì)下一代高能量密度鋰金屬電池寄予厚望，但在將其用于我國(guó)汽車之前，還有一些關(guān)鍵問題需要解決。由瑞典查爾默斯理工大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組現(xiàn)在已經(jīng)為電池的充電和操作制定了具體的指導(dǎo)方針，最大限度地提高了效率，同時(shí)最大限度地減少了短路的風(fēng)險(xiǎn)。

鋰離子電池是目前廣泛應(yīng)用于各種電動(dòng)汽車的概念之一，尤其是鋰離子電池。

這種新型電池的最大優(yōu)點(diǎn)是能量密度可以顯著提高。這是因?yàn)殡姵氐囊粋€(gè)電極，即陽(yáng)極，由一層薄薄的鋰金屬箔組成，而不是像鋰離子電池那樣由石墨組成。如果沒有石墨，電池中活性物質(zhì)的比例會(huì)高得多，增加能量密度，減輕重量。使用鋰金屬作為陽(yáng)極也使得在陰極的另一個(gè)電極上使用高容量材料成為可能。這會(huì)導(dǎo)致電池的能量密度是當(dāng)前水平的三到五倍。

然而，最大的問題是安全。在最近發(fā)表在著名期刊《先進(jìn)能源材料》和《先進(jìn)科學(xué)》上的兩篇科學(xué)文章中，查爾默斯理工大學(xué)的研究人員與俄羅斯、中國(guó)和韓國(guó)的同事共同提出了一種以最佳和安全的方式使用鋰金屬的方法。這是由于設(shè)計(jì)電池時(shí)，在充電過程中，金屬不會(huì)形成尖銳的針狀結(jié)構(gòu)，即樹枝晶，這會(huì)導(dǎo)致短路，在最壞的情況下，會(huì)導(dǎo)致電池著火。充放電過程中的安全是關(guān)鍵因素。

“鋰金屬電池的短路通常是由于充電過程中金屬沉積不均勻，陽(yáng)極上形成樹枝狀晶造成的。這些突出的針頭導(dǎo)致陽(yáng)極和陰極彼此直接接觸，因此防止它們的形成至關(guān)重要。我們的指導(dǎo)現(xiàn)在可以對(duì)此做出貢獻(xiàn)，”Chalmers物理系的熊士釗研究員說。

優(yōu)化充電提供更安全的電池

控制鋰在陽(yáng)極上分布的因素有很多。在充電過程中發(fā)生的電化學(xué)過程中，鋰金屬的結(jié)構(gòu)主要受電解液中電流密度、溫度和離子濃度的影響。

研究人員通過模擬和實(shí)驗(yàn)來確定如何根據(jù)這些參數(shù)來優(yōu)化電荷。目的是在鋰金屬陽(yáng)極上形成致密、理想的結(jié)構(gòu)。

“讓電解液中的離子在充電過程中變成鋰原子時(shí)，使它們自己排列得恰到好處是一個(gè)困難的挑戰(zhàn)。我們對(duì)如何在不同條件下控制過程的新知識(shí)有助于提高鋰金屬電池的安全性和效率。”Chalmers物理系的AleksandarMatic教授說。

XNRGI的多孔硅陽(yáng)極鋰金屬電池即將商業(yè)化

鋰金屬電池是由埃克森美孚化學(xué)家M.StanleyWhittingham在1970年代開發(fā)的。金屬鋰作為電池材料具有吸引力，因?yàn)樗菀酌撀潆娮硬д姷匿囯x子。但是事實(shí)證明，惠特漢姆的設(shè)計(jì)很難將其商業(yè)化：鋰具有高反應(yīng)活性，而他用于陰極的二硫化鈦價(jià)格昂貴。Whittingham和其他研究人員在鋰中添加了石墨，從而使鋰能夠嵌入并降低其反應(yīng)性，并且他們以更便宜的材料交換了陰極。因此，鋰離子電池誕生了。同時(shí)，帶有鋰金屬陽(yáng)極的電池似乎注定要成為鋰離子電池的有趣注解。

但是總部位于華盛頓州博塞爾的XNRGI的目標(biāo)是將鋰金屬電池帶入主流。它的研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過將金屬鋰沉積到硅基板上來馴服金屬鋰的反應(yīng)性，該硅基板已被薄膜覆蓋并被數(shù)百萬個(gè)微小電池蝕刻。與傳統(tǒng)的鋰離子二維陽(yáng)極相比，3D襯底大大增加了陽(yáng)極的表面積。XNRGI首席執(zhí)行官ChrisD'Couto說，當(dāng)您考慮使用金屬鋰代替化合物時(shí)，XNRGI陽(yáng)極的容量是傳統(tǒng)插層石墨-鋰陽(yáng)極的10倍。

該公司預(yù)計(jì)今年將開始小批量商業(yè)化生產(chǎn)其鋰金屬電池，以交付給電動(dòng)汽車和消費(fèi)電子客戶。去年，它與加拿大初創(chuàng)公司CrossBorderPower簽署了組建合資企業(yè)的協(xié)議，以將其電池銷售和分銷給北美的公用事業(yè)客戶。

當(dāng)然，新的電池技術(shù)一直在發(fā)布，包括IEEESpectrum在內(nèi)的技術(shù)新聞媒體都非常高興地宣稱其有前途的功能。但是，相對(duì)而言，在實(shí)驗(yàn)室中看似有希望甚至具有革命性意義的電池實(shí)際上卻躍居了市場(chǎng)。

芝加哥附近阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的儲(chǔ)能專家文卡特·斯里尼瓦桑（VenkatSrinivasan）指出，任何新型電池的商業(yè)化都是一個(gè)復(fù)雜的前景。他說：“這取決于您要滿足多少個(gè)指標(biāo)。”對(duì)于電動(dòng)汽車，理想的電池可提供數(shù)百公里的行駛距離，以分鐘為單位的充電時(shí)間，寬泛的工作溫度范圍，10年的使用壽命以及碰撞安全性。當(dāng)然，價(jià)格低廉。

Srinivasan說：“您擁有的指標(biāo)越多，采用新電池技術(shù)滿足所有指標(biāo)的難度就越大。因此，您需要做出讓步-也許電池可以使用10年，但續(xù)駛里程將受到限制，并且無法快速充電。”他補(bǔ)充說，不同的應(yīng)用程序?qū)⒕哂胁煌闹笜?biāo)，并且“行業(yè)只希望查看至少與現(xiàn)有電池一樣好的電池。”

D'Couto承認(rèn)，要使XNRGI的電池商業(yè)化并不容易，但他說，有幾個(gè)因素使該公司受益匪淺。它沒有發(fā)明新的制造方法，而是借用了一些與芯片制造商用于制造集成電路的相同的久經(jīng)考驗(yàn)的技術(shù)。其中包括將20x20微米的空腔蝕刻到硅中以及薄膜的施加。因此，電池的名稱為：PowerChip。

D'Couto說，每個(gè)微觀電池都可以視為微型電池。與刺穿鋰離子電池時(shí)發(fā)生的災(zāi)難性故障不同，PowerChip的一個(gè)電池中的故障不會(huì)傳播到周圍的電池中。這些電池似乎也阻止了樹枝狀的形成，樹枝狀的生長(zhǎng)可能導(dǎo)致電池失效。

對(duì)于部分鋰離子電池，例如Enovix，Nexeon，SilaNanotechnologies和SiONPower制造的那些，也可以通過用硅代替陽(yáng)極中的部分或全部石墨來實(shí)現(xiàn)更好的性能。在這些電池的陽(yáng)極中，鋰與硅嵌入，從而形成Li15Si4。

在XNRGI的PowerChip中，硅基板具有導(dǎo)電涂層，可充當(dāng)集流體，并具有擴(kuò)散阻擋層，可防止硅與鋰相互作用。D'Couto說，鋰金屬陽(yáng)極的容量大約是硅嵌入陽(yáng)極的五倍。

XNRGI的大部分存在都被稱為NeahPowerSystems，它專注于開發(fā)燃料電池。燃料電池使用了新型的多孔硅基板。但是燃料電池市場(chǎng)并沒有騰飛，因此在2016年，該公司獲得了能源部的撥款，可以使用相同的概念來制造鋰金屬電池。

XNRGI繼續(xù)嘗試可以跟上增壓陽(yáng)極的陰極設(shè)計(jì)。目前，該公司正在使用由鈷酸鋰和鎳錳鈷制成的陰極，這可以生產(chǎn)出容量是傳統(tǒng)鋰離子電池兩倍的電池。它還使用客戶提供的陰極制造樣品電池。德庫(kù)托說，諸如硫之類的替代材料可以進(jìn)一步提高陰極性能。他說：“擁有高性能陽(yáng)極而沒有相應(yīng)的高性能陰極不會(huì)最大化電池的全部潛力。”

Argonne的Srinivasan說：“像我這樣的人夢(mèng)想著有一天我們能完全解決所有電池問題。我希望每個(gè)人都駕駛電動(dòng)汽車，每個(gè)人都在家中存放電池。我希望電氣化。”