鋰電池研究未完待續(xù)

人類早已生活在一個“可充電的世界”，但真正帶來電子設(shè)備便攜化，開啟了現(xiàn)代移動生活的則是鋰電池。可以說，如果沒有鋰電池，就沒有我們現(xiàn)在的移動智能生活。

鋰離子電池經(jīng)過三十多年的工業(yè)化發(fā)展，在能量密度、成本和安全性上取得了長足進步，并深入到我們生活的方方面面。

在目前廣泛使用的商用鋰電池中，鋰離子在以特殊層狀材料作為電池正負極的“主人”家里，隨意地來回“串門”，以完成電池充放電工作。

鋰電池領(lǐng)域面臨諸多挑戰(zhàn)

今年的諾貝爾化學(xué)獎授予鋰電池領(lǐng)域，是對這個行業(yè)巨大的肯定和激勵。但鋰電池從誕生發(fā)展到應(yīng)用推廣，當下仍面臨著諸多艱巨的挑戰(zhàn)。

從1991年索尼公司商業(yè)化生產(chǎn)第一批鋰離子電池至今，受制于鋰離子電池原理的限制，現(xiàn)有體系的鋰離子電池能量密度也已經(jīng)從每年7%的增長速率下降到2%，并正在逐漸逼近其理論極限。與之相反，隨著社會進步，人們對便攜、清潔生活的需求更加強烈。

采用更少質(zhì)量儲存更多電量的電極材料，有望構(gòu)筑能量密度更高的鋰電池。金屬鋰的比容量高達 3860mAh/g，是構(gòu)筑高比能電池的終極材料。但直接把金屬鋰作為電池負極材料使用的話，始終逃不開一個“跗骨之蛆”——枝晶（Dendrite）。面對這個造成鋰電池安全隱患的“大敵”，世界各國的科學(xué)家都在進行不懈努力。

鋰電池安全的大敵“枝晶”

我們都知道，電池分為正極、負極和電解質(zhì)，通過氧化還原反應(yīng)來產(chǎn)生電流。放電時，離子從負極流向正極，充電時從正極流向負極——對鋰電池來說，放電時鋰會被氧化成離子進入電解質(zhì)最終抵達正極；重新充電時，這些鋰離子會再沉積到鋰金屬負極的表面。

但是這種沉積往往不均勻，隨著鋰電池的頻繁使用，鋰金屬表面會長出針狀或樹枝狀的鋰枝晶。枝晶生長得過長就會折斷，不再參與反應(yīng)，給電池體系帶來不可逆的容量損失；最危險的是，長大的枝晶會刺破電池正負極之間的隔膜，造成短路，埋下電池過熱自燃或爆炸的安全隱患。

鋰電領(lǐng)域里，如何做到“魚與熊掌兼得”？如何通過提出新原理、新體系、新方法，如何實現(xiàn)能量密度更高、更安全、充電更快的儲能過程？這些都是鋰電領(lǐng)域懸而未決的挑戰(zhàn)。

在這樣的形勢下，涌現(xiàn)出了鋰硫電池、鋰空電池、鈉離子電池等許多新體系電池。新材料的不斷產(chǎn)生，也給這些新體系的發(fā)展帶來了新機遇。

高效儲能的科研“初心”

目前，中美日韓德英等國都制定了各自的電池發(fā)展戰(zhàn)略。我國鋰電研究者們在國家和社會的支持下，正圍繞高效能量存儲這個不變的“初心”，持續(xù)開展科學(xué)研究。

目前圍繞鋰電池領(lǐng)域主流研究方向，仍聚焦在尋找更安全高效的負極材料上。我?guī)ьI(lǐng)的清華大學(xué)研究團隊從2013年開始，在金屬鋰負極形核和無枝晶生長領(lǐng)域開展了原創(chuàng)性的科學(xué)研究。

我們發(fā)現(xiàn)，在金屬鋰負極中添加具有親鋰性的摻氮碳骨架，讓電池中游離的鋰離子在充電初始，就像小蝌蚪找媽媽一樣，優(yōu)先奔向青蛙媽媽——摻氮位點，在電池中形成均勻分布的金屬鋰“小團體”；在充電過程中，“小蝌蚪和青蛙媽媽”的“小團體“繼續(xù)“抱團”。這種均勻沉積的行為可以避開以往形核少而產(chǎn)生的金屬鋰枝晶生長。

我們在上述能源化學(xué)機理的基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計了碳鋰復(fù)合負極。這些復(fù)合金屬鋰負極不僅避開了危險的枝晶，還表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能，有效提升了金屬鋰負極的利用效率和安全性，也為基于金屬鋰的二次電池提供了新的實用化探索思路和更廣闊的應(yīng)用前景。研究成果發(fā)表在能源領(lǐng)域知名期刊《焦耳》（Joule）上，當期期刊封面的圖片采用隱喻方式，把采用親鋰碳材料復(fù)合的鋰金屬負極比喻成一艘船——有了這艘船，鋰電池在可能發(fā)生安全隱患的“海洋”中進一步穩(wěn)定航行。

除了鋰電池之外，通過采用鈉、鉀、鋁、鋅等離子并研發(fā)其能源化學(xué)新原理，也有望提出具有獨特性質(zhì)的新型儲能器件。除電化學(xué)儲能之外，采用其他能源存儲和轉(zhuǎn)化方式以及新型能源載體，有望構(gòu)筑具有顛覆性的儲能技術(shù)，滿足未來社會對于儲能設(shè)備的新需求。

下一代解決能源存儲與轉(zhuǎn)化技術(shù)的突破，正在來臨的路上。