傳說中的2016電池技術突破

全固態鋰電池

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

他們先將固體電解質熔化，然后將熔化的電解質涂抹在電極上。為解決粉末狀固體電解質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，他們開發出了一種可以增強固體電解質導電性的材料——甲醇液中添加碘化鋰（LiI）。

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

目前困擾全固態電池實現產業化主要有兩個問題：一是固態電解質在室溫條件下的離子電導率不高；二是固態電解質與正負極之間界面阻抗比較大。

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

鋁—石墨雙離子電池

中國科學院深圳先進技術研究院唐永炳研究員及其團隊研發出鋁—石墨雙離子電池，據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。電解液則由常規鋰鹽和碳酸酯類有機溶劑組成。

在充電過程中，正極石墨發生陰離子插層反應，而鋁負極發生鋁-鋰合金化反應，放電過程則相反。這種新型反應機理，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-石墨電池的續航里程可達到約550公里。新型電池與傳統鋰電技術相比，鋁-石墨電池可將生產成本降低約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、環保和供應鏈的風險壓力。

新型復合金屬鋰電極材料

美國斯坦福大學著名材料學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用研發方面取得重大突破。

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、高能量密度等優勢，使得金屬鋰成為當今能源存儲領域的首選材料。

然而金屬鋰與電解液的副反應，循環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，影響了其電化學性能；后兩者則會給金屬鋰電池帶來嚴重的安全隱患。

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”處理的碳質主體材料，通過建立“親鋰”的界面材料體系，開創性地將金屬鋰融化之后，利用毛細作用吸入碳纖維網絡的空隙中，成功制備出含有支撐框架的復合金屬鋰電極。

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

復合金屬鋰電極由10%體積比的碳纖維和金屬鋰材料組成。碳纖維網絡具有良好的導電性，超高的機械強度和電化學穩定性，因此，作為金屬鋰的主體框架材料是絕佳選擇。

與之前的相關研究相比，梁正等人將金屬鋰融化，并依據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

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

傳統鋰空氣電池在放電過程中，鋰空氣電池從外界吸收氧氣，并與電池的鋰產生化學反應。在充電過程中，則產生相反的化學反應，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反應，整個過程中根本不需要氧元素的氣態變化。氧元素一直以固態形式存在，并可在三種氧化還原狀態中直接切換，產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建一個極小的微粒，大約在納米級別，成玻璃狀的微粒可同時包含鋰與氧，并緊緊被包圍在氧化鈷（cobalt oxide）的小矩陣里。

通常狀態下，納米鋰氧非常不穩定，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，每隔幾納米就有一個氣孔。氧化鈷矩陣一方面可以穩定住納米鋰氧，另一方面，還可以充當化學反應的催化劑。

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%的電能被轉換成了熱量。這意味著汽車可以快速充電，因此電池組發燙的情況會解決，不再構成安全隱患，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，化學反應可以實現自我約束。一旦過度充電情況發生，化學物質馬上轉變成另外一種形態，從而化學反應中止。在循環負荷試驗中，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將擁有超長壽命。

研究團隊表示，新電池使用的作為液體電解質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

中國科學院合肥物質科學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劑和導電劑等添加劑，電池具有高容量和優良的循環穩定性。

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，該三維石墨烯復合電池材料結構設計還可以應用于鋰離子電池負極材料，比如研制石墨烯/硅復合負極，展現出良好的通用性。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、長期循環穩定和安全性。

可導電海綿狀MOF材料

美國麻省理工學院首次發現了具有導電性的金屬-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/電池技術的核心材料。

海綿狀微觀結構的新型MOF材料由于結構特性，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電性。

傳統采用碳納米管材料（具有極好的中孔性能和導電性）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。