人們對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)的一個國際研究小組現(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，同時最大限度地減少了短路的風(fēng)險。

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

這種新型電池的最大優(yōu)點是能量密度可以顯著提高。這是因為電池的一個電極，即陽極，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)的比例會高得多，增加能量密度，減輕重量。使用鋰金屬作為陽極也使得在陰極的另一個電極上使用高容量材料成為可能。這會導(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、中國和韓國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)計電池時，在充電過程中，金屬不會形成尖銳的針狀結(jié)構(gòu)，即樹枝晶，這會導(dǎo)致短路，在最壞的情況下，會導(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，陽極上形成樹枝狀晶造成的。這些突出的針頭導(dǎo)致陽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驗來確定如何根據(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，使它們自己排列得恰到好處是一個困難的挑戰(zhàn)。我們對如何在不同條件下控制過程的新知識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，因為它容易脫落電子并帶正電的鋰離子。但是事實證明，惠特漢姆的設(shè)計很難將其商業(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，帶有鋰金屬陽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)百萬個微小電池蝕刻。與傳統(tǒng)的鋰離子二維陽極相比，3D襯底大大增加了陽極的表面積。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，XNRGI陽極的容量是傳統(tǒng)插層石墨-鋰陽極的10倍。

該公司預(yù)計今年將開始小批量商業(yè)化生產(chǎn)其鋰金屬電池，以交付給電動汽車和消費電子客戶。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，相對而言，在實驗室中看似有希望甚至具有革命性意義的電池實際上卻躍居了市場。

芝加哥附近阿貢國家實驗室的儲能專家文卡特·斯里尼瓦桑（VenkatSrinivasan）指出，任何新型電池的商業(yè)化都是一個復(fù)雜的前景。他說：“這取決于您要滿足多少個指標(biāo)。”對于電動汽車，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，每個微觀電池都可以視為微型電池。與刺穿鋰離子電池時發(fā)生的災(zāi)難性故障不同，PowerChip的一個電池中的故障不會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，樹枝狀的生長可能導(dǎo)致電池失效。

對于部分鋰離子電池，例如Enovix，Nexeon，SilaNanotechnologies和SiONPower制造的那些，也可以通過用硅代替陽極中的部分或全部石墨來實現(xiàn)更好的性能。在這些電池的陽極中，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，鋰金屬陽極的容量大約是硅嵌入陽極的五倍。

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極的陰極設(shè)計。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：“擁有高性能陽極而沒有相應(yīng)的高性能陰極不會最大化電池的全部潛力。”

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