锂金属电池的发展前景与挑战

虽然获得更大的技术突破可能还有十年之久，但锂离子电池可以为电动汽车和电网的发展带来巨大的飞跃。

虽然锂离子电池正在经历一个历史性的规模扩张，但研究人员也在致力于寻求锂离子电池技术可能会出现的下一个突破。

而巨大的技术突破可能会让电动汽车一次充电可以驾驶更长的时间，并且更安全的运行。而为电网供应更好的电池可以储存更多的能源，从而可以部署更多的风能和太阳能设施。

美国能源部高级能源研究计划署（ARPA-E）项目主管PaulAlbertus表示：“这类概念的竞争正在在世界范围内进行。”该项目的重点是早期阶段，开展可能对能源出现重大影响的能源研究。

不久前，Albertus和他的同事SueBabinec在《自然》杂志上发表了一篇文章，研究锂金属电池的研究状况和未来的挑战。

锂金属电池，顾名思义，使用锂金属作为电池负极部分。锂离子电池具有在充电和放电时使离子来回穿过电解质的负电极和正电极。石墨通常用于当今锂离子电池的负极。但通过用锂金属取代石墨，电池可以储存更多的能量。

根据《自然》杂志公布的文章，锂金属电极可以使锂离子电池的比能量提高35％，能量密度提高50％。这可能会让一个电池可以达到每千克350或400瓦时或每升1000瓦时的比能量。

目前的锂离子电池组的比能量为每千克约150瓦时，能量密度接近每瓦250瓦时。

美国能源部的目标是为电动汽车电池组寻找储能选项，每千克为235瓦时或每升500瓦时。

近年来，ARPA-E项目启动了一项名为IONICS的储能计划，为锂金属电极等领域的早期研究供应资金补助。使用ARPA-E补助金在锂金属电极上工作的实体包括24M公司、IonicMaterials公司、PolyPlus电池公司，以及爱荷华州立大学。

Albertus和Babinec在报告中指出，锂金属电极结合试图用固体材料（而不是液体）制造电池电解质的研究有朝一日会成为锂离子电池的继任者。固体电解质可以让电池不再易燃，操作更安全。

然而，实现电池的技术突破并不容易。自20世纪60年代以来，全球的科学家们一直在研究锂金属电极，而大型电池公司、政府实验室和创业公司的研究正在进行。

雷诺-日产-三菱联盟日前宣布对IonicMaterials进行战略投资，希望开发下一代电动汽车电池。固态电池是电动汽车的最终目标，因为它具有高能量密度，并改善散热性能。丰田和菲斯克等公司也在寻求开发固态电池的更大的潜力。

有一些小型锂金属电池在医疗行业有了一些小范围的应用用，但是还没有人能够将电池扩展到可以为汽车供电或为太阳能发电场保存电能并将其实现商业化的程度。

在“自然”杂志刊载的文章中，作者强调了电池研究人员在进行这些类型的项目时应该关注的参数。他们还指出了防止假阳性，消除所谓的“枝晶”，或可能在电池内部生长的晶须状锂并导致出现问题的方法。

在Albertus和Babinec的报告中，使用合适的低成本部件，锂金属电极电池可以达到每千瓦时100美元的成本。保持低成本（低于当前锂离子电池的成本）将是推出新电池的关键。

Albertus说，与一些被广泛采用的电池技术不同，比如将硅用于锂离子电池的阳极，锂金属电池的技术成熟可能还有十年的时间。

“有关技术突破，人们是不能按部就班就可以达成的，要经过大量的努力。”Albertus补充说。