鋰電池：未來(lái)發(fā)展的基礎(chǔ)

在對(duì)放電過(guò)程的管理操作和極限性的理解上仍有挑戰(zhàn)，但基礎(chǔ)研究仍是鋰離子電池創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

電池以化學(xué)能形式儲(chǔ)存電量。便攜式電子設(shè)備、 電氣化的運(yùn)輸和網(wǎng)格規(guī)模的應(yīng)用程式都需要無(wú)害、 安全的，具有能量密度高、 循環(huán)壽命長(zhǎng)，包含低成本材料的電池。

可充電的鋰離子電池在1990 年代的早期的商業(yè)化，被視為自 18 世紀(jì)末Alessandro Volta的電池技術(shù)發(fā)明以來(lái)最重要的復(fù)興里程碑。

盡管鋰離子電池在近幾十年來(lái)取得了一些顯著成就，但是鋰電池發(fā)展的速度仍然是相當(dāng)遲緩的︰ 在過(guò)去的 25 年商用鋰離子電池的能量密度相當(dāng)線(xiàn)性的增加了數(shù)字4的影響因子。目前先進(jìn)的商用鋰離子電池具有少于 300 Wh kg^?1 能量密度 ，這低于 400 Wh kg^?1美國(guó)能源部的2017年目標(biāo)。而未來(lái)的幾年鋰離子電池將持續(xù)扮演關(guān)鍵角色，已達(dá)成的共識(shí)是，現(xiàn)在鋰離子電池將不能夠滿(mǎn)足未來(lái)長(zhǎng)期的發(fā)展需要，對(duì)新的電池技術(shù)的發(fā)展需求是極為迫切的。

使用新的化學(xué)物質(zhì)的電池，以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度和循環(huán)壽命長(zhǎng)，通常被稱(chēng)為POST鋰離子電池。然而，其發(fā)展仍然存在巨大挑戰(zhàn)，在電極、 電解質(zhì)和其界面的電池過(guò)程等許多方面仍然缺乏認(rèn)識(shí)。獲取足夠的基礎(chǔ)知識(shí)勢(shì)在必行，以實(shí)現(xiàn)POST鋰離子電池的全部潛力。在這個(gè)問(wèn)題上，我們提出四個(gè)POST鋰離子例子 — — 鋰-空氣、 鋰-硫、 金屬鋰和固態(tài)電池 — — 以著重說(shuō)明取得的理解和仍然需要解決的問(wèn)題。

Photo source：Nature Energy

鋰-空氣電池使用氧氣，作為正極活性物質(zhì)，其可以從空氣中得到︰ 在放電時(shí)氣態(tài)氧分子獲得電子，形成了放電效應(yīng)而電荷逆向反應(yīng)也同時(shí)發(fā)生。這一過(guò)程可能聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單;實(shí)際上反應(yīng)的減少的氧素物質(zhì)可以誘發(fā)電解質(zhì)和正電極的寄生性反應(yīng)，會(huì)造成電池可逆性問(wèn)題。在Peter Bruc和其同事的綜述中調(diào)查了氧化還原機(jī)制在氧電極和電解質(zhì)溶液對(duì)其依賴(lài)的最新進(jìn)展。他們還討論了目前面臨的挑戰(zhàn)和可能的解決方案，以在電池操作過(guò)程中保持穩(wěn)定的電極和電解質(zhì)。

另一方面，鋰-硫，也有其自身固有的問(wèn)題。硫還原得到的鋰聚硫中間產(chǎn)物是可溶性的，其并因此可以穿梭于電極間，這可以造成明顯容量損失而限制了電池壽命。Linda Nazar和他的同事綜述了理解多硫化鈉化學(xué)在鋰-硫電池的最新進(jìn)展，該文章側(cè)重于使用各種化學(xué)相互作用將硫化物限制在主電極材料，以減輕他們穿梭的問(wèn)題。他們還討論了發(fā)展多功能的正電極材料，以實(shí)現(xiàn)高硫加載，以及多功能的電解質(zhì)，以進(jìn)一步管理多硫化鈉溶出度的關(guān)鍵問(wèn)題。

由于鋰很高的比容量，純鋰金屬將是鋰離子電池理想的負(fù)極材料。不幸的是，純鋰與液體電解質(zhì)的反應(yīng)活性太高;在負(fù)電極鋰粗糙的電沉積誘導(dǎo)的枝晶的形成也會(huì)造成安全隱患。這種挑戰(zhàn)已困擾鋰金屬電池發(fā)展幾十年，只是最近才在這一研究領(lǐng)域經(jīng)歷了文藝復(fù)興時(shí)期。Lynden Archer 和同事以他們的角度分析了電沉積的金屬鋰電池的基本原理，并提出設(shè)計(jì)原則穩(wěn)定電解質(zhì)和鋰-金屬/電解液界面。這或許可提供未來(lái)發(fā)展的指導(dǎo)思想。

  Stages of dendrite growth on a planar Li metal anode，Source：Design principles for electrolytes and interfaces for stable lithium-metal batteries/nature energy

與此同時(shí)，固態(tài)電池 — 其中固體來(lái)替代含有具有快速離子電導(dǎo)性固含物的常規(guī)液體電解液— —這為建設(shè)更安全的鋰離子電池提供有吸引力的替代方案。就像很多已發(fā)布鋰離子技術(shù)一樣，對(duì)作為一個(gè)可行的平臺(tái)存在固態(tài)電池的前景同樣存在樂(lè)觀和悲觀兩種看法。Jürgen Janek 和他的同事討論了諸多實(shí)現(xiàn)高性能的固態(tài)電池的關(guān)鍵問(wèn)題，包括電池機(jī)械完整性和長(zhǎng)期運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)未來(lái)固態(tài)電池他們也提供他們的意見(jiàn)，關(guān)于是否可以達(dá)到高電壓、 高功率密度及是否鋰金屬陽(yáng)極可以帶來(lái)很多需要的電池容量的增加。

上面列出的例子并不能全面概括POST鋰電池的一些新的理解。也有其他很多的努力，但是在開(kāi)發(fā)中的各種電池技術(shù)中，每個(gè)都有自身的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。例如鈉離子，得益于豐富的鈉資源和與鋰離子電池相近的電化學(xué)，不過(guò)由于鈉的離子質(zhì)量大會(huì)犧牲能量密度?；诙鄡r(jià)離子，如鎂和鋁，電池中允許多價(jià)電荷傳遞，而不是像鋰離子電池提供的單電子的運(yùn)輸。在這樣做時(shí)他們產(chǎn)生了新問(wèn)題，例如低離子電導(dǎo)率。氧化還原液流電池與傳統(tǒng)的鋰離子有完全不同的體系結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟芰績(jī)?chǔ)存在來(lái)自外部槽的兩種可溶性還原組合的燃料流動(dòng)。他們?cè)诰W(wǎng)格規(guī)模存儲(chǔ)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)卻常?？嘤陧憫?yīng)速度慢、 低耐久性和能源效率偏低。當(dāng)然，極大的挑戰(zhàn)也存在將科學(xué)發(fā)現(xiàn)通過(guò)移動(dòng)到商業(yè)上的成功，給電池發(fā)展帶來(lái)完全不同的維度。

從這些例子我們希望獲得基本層面的突破，以實(shí)現(xiàn)性能的向前跨越式發(fā)展 — — 否則鋰電池發(fā)展仍將緩慢和只是增量的優(yōu)化。這里著重列出的對(duì)電池過(guò)程的基本理解的進(jìn)展對(duì)實(shí)現(xiàn)POST鋰離子電池提供了真正的希望。

來(lái)源：NATURE ENERGY | VOL 1 | SEPTEMBER 2016 | www.nature.com/natureenergy

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