锂电池是否能被超越？

任何便携式设备都需要一个电池。没有电池科技，我们将不会有手机、手提电脑或者其他消费电子产品。对于锂电池来说尤其如此。

自从上世纪80年代以来，电池研究已经发生了很大的变化。1980年代世界出现了第一代锂金属电池，在今天看来出现了复苏的可能。在1991年，日本的索尼公司首次推出了锂离子电池作为音乐播放器的电池，也许他们也没有想到这会对世界产生如此巨大的影响。然而，现在出现了另外一个趋势，即让电池科技和电网相联系起来。为了让电动汽车和电网正常运行，我们就需要更大电池。研究人员也正在努力实现去锂离子化，从而使电池达到一个新的高峰。

亚洲在锂离子电池发展的霸主地位

1991年，自从索尼使用第一款商用锂离子电池后，世界开始发生变化。在90年代，日本锂离子电池设施类似于半导体晶圆厂。“电池发展开始从黑暗走向光明。”StevenVisco说。赶上了第一代锂离子电池发展的时机，亚洲公司尤其是日本公司开始大力发展锂离子电池相关的研究和专利。

当传统电池制造商还着眼于一次性电池的发展时，锂离子电池的问世可以说是当头棒喝，给了美国市场非常大的震撼。经过短暂的醒悟后，三家大型电池公司——金霸王，雷特威和劲量试图进入锂离子电池行业，但是以失败告终。

继日本之后，韩国也开始发展锂离子技术，之后是中国，而美国在这方面则远远落后了。“现在电池行业又迎来了变革的时刻，对于美国来说可以说是千载难逢的时机。”因此美国也在这方面投入了大量的科研经费，以期能够赶上亚洲公司。得益于这笔资金，许多电池制造商纷纷崛起，尤其是在硅谷。

专注于锂离子电池

对于电池技术方面的资助资金高达3.25亿美元，作为FY16预算的一部分。其中的一部分会进行锂离子电池相关研究，期望能够获得更好的电池标准。“目前的趋势是制备更好的锂离子电池电极。”GeorgeCrabtree说。

目前锂离子电池的标准电极是二氧化钴。然而，为了制备下一代锂离子电池，研究人员必须以二氧化钴电极为基础，掺杂其他元素来提高其性能。而该研究的重点是电压。由钴、镍和二氧化锰材料组成的电极可以具有更好的性能。“锂离子电池的电压为4.5V，但是如果你可以增加电池的电压，例如增加到4.8V，那么你就可以增加电能密度。”Crabtree说。

由于锂离子电池已经存在了超过25年，因此研究人员已经对其非常了解，锂离子电池中使用的材料也非常标准和成熟。锂离子电池中使用的阳极材料是石墨，而阴极材料则是氧化钴或者二氧化钴。近年来我们也经常听到由于锂离子电池中电解质的原因，会使得电池着火。

目前越来越多的电动汽车走上了马路，而在锂离子电池中则具有很多液态的电解质，而且这些电解质非常易燃。目前对于锂离子电池的一大担心则是，随着能量密度的增加，电池的安全性问题也会成为一大问题。我们面临着很多的安全性方面的挑战，但是我们可以通过电池设计等方面来加以避免。在电池中设置一个管理系统，可以对其进行监测。一旦出现问题，可以将电池关闭。

在阳极材料方面，碳是一种相对较重的材料，而且随着电池尺寸的要求越来越微小，研究人员倾向于选择其他材料作为电池阳极。当谈到离子液态的电解质在常温下具有很高的锂离子导电性，且不易燃、不易失。锂金属电池具有非常高的能量密度，远高于现在的锂离子电池。这样的电池可以有效减少制作成本。

超越锂离子电池

随着全世界电网和电动汽车的发展趋势，超越锂离子电池的技术成为了竞相追逐的对象，而这从能源部汽车技术办公室投资1.25亿美元用于相关领域就能看得出来。其中5400万美元和电池科技新材料相关。

和锂离子电池不同的是，研究人员需要考虑用于三种不同部分的材料：阳极、阴极和电解质。锂—空气电池是一个很好的例子。这种电池储存的电量是传统锂离子电池的数倍，而这对于汽车等来说已经足够了。

PolyPlu电池公司在2000年左右发明了水稳锂电极，在锂金属电极附近形成一种陶瓷电解质，从而可以保护电极免受外部环境的影响。在这个发现的基础上，该公司申请了发明专利，并且进一步开发了水基锂—空气电池。目前PolyPlus公司正在着手开发一种锂硫水溶液电池，其能力可达到600Wh/l和400Wh/kg。

空气电池类似的另一类电池就是锂—硫电池。然而，锂—硫电池面临的最大挑战就是硫，且如何使得其表现为绝缘材料。当硫和锂接触时，会形成复合物Li2S，也是一种绝缘体。这意味着该反应很难逆向进行，从而使得其很难对电池进行充电。

对于这个问题，人们提出了很多的解决方案。其中的一种方法就是，通过将Li2S的尺寸降低到纳米级别来减小其影响。当电极的尺寸降低到纳米级别时，即使是绝缘体也有可能导电，从而使得反应可以逆向进行。

谈到液流电池，研究人员将晶体电极换成了液体。“新的材料有时可以两次改变钒氧化态，而一些有机材料则可能多次改变它们的氧化态。因此，从原则上来说，一些新材料比钒更好。”Crabtree.说。该种技术的另一个优势就是，由于选用的材料是有机材料，因此更加便宜。

储能研究联合中心的研究人员目前为液态电池开辟了新的方向，通过这种改进，研究人员可以更好地控制聚合物或者单个分子。另一项创新则是在聚合物之间构建了联系，从而获得的材料比单个分子更大。该方法的优点是，研究人员可以借此用多孔膜过滤掉活性物质，且价格非常低廉。

超越锂离子电池技术的另一个方向则是使用镁，因为镁有两个电荷，而锂离子只有一个。但是每一次镁离子在阴极和阳极之间进行来回运动时，可以带有两个电荷，且其要求的阳极、阴极和电解质材料都不一样，因此，研究人员需要寻找三种新材料。该储能研究联合中心的研究人员最近发现了可以和镁电极互相匹配工作的电解质。但是这也仍然是在非常早期的研究阶段，还不能满足商业化的要求，但是具有非常大的研究价值。

畅想未来

对于电池技术来说，另一项革命即将要到来，就像1991年的一样，没有人可以预测到这场革命对人们的生活将到来什么样的影响。当市面上电动车的部署达到50%时，新的革命就将要开始了。目前虽然市场份额只有2%到3%，但是前景非常明朗。就像半导体革命开始的时候那样，有很多的进步会发生，这对于电池的发展和商业化非常重要。对于全球来说，新一轮的竞赛已经开始，美国也有实力与亚洲公司一较高下。