第3章 电池领域的创新信息(2)

测试结果表明，新电池在60℃的温度下，经过300次充放电循环后，电容可以维持在1200毫安小时/克，而传统锂离子电池的平均电容为140～170毫安小时/克。梁诚督表示，因为锂硫电池携带的电压，为锂离子电池的一半，平均电容为其8倍，所以，新电池的能量密度约为传统锂离子电池的4倍。

尽管新电池仍然处于演示阶段，但研究人员希望尽快将这项研究由实验室推向商业应用，他们正在为此技术申请专利。

（4）研制出一种廉价高功率的锂硫电池。2014年6月4日，物理学家组织网报道，一种工业废品、一点塑料，再加上不太高的温度，或许就是引爆下一个电池革命的导火线。美国国家标准与技术研究所材料科学家克里斯托弗·索尔斯、亚利桑那大学的化学家杰弗里·佩恩等人，与韩国首尔国立大学研究人员一起组成一个研究小组，他们把几种材料混合在一起，研制出一种廉价、高功率的锂硫电池。

研究人员表示，新电池的性能可与目前市场上占主流的电池相媲美，而且，经过500次充放电循环后功能无损。过去数十年来，锂离子电池的能量密度不断提高，广泛应用于智能手机等领域。但锂离子电池需要笨重的阴极（一般由氧化钴等材料制成），来“收纳”锂离子，限制了电池能量密度的进一步提高。这意味着，对诸如长距离电动汽车等，需要更大能量密度的应用来说，锂离子电池有点力不从心。

因此，科学家们将目光投向了锂离子电池更纤瘦的“表妹”，即锂硫电池身上，后者的阴极主要由硫制成。硫的“体重”仅为钴的一半，因此，同样体积的硫收纳的锂离子数为氧化钴的两倍，这就使得锂硫电池的能量密度为锂离子电池的数倍。

但硫阴极也有两大劣势：首先，硫容易与锂结合，形成的化合物会结晶；其次，不断的充放电循环使硫阴极容易破裂，因此，一块典型的锂硫电池经过几次循环就成了无用之物。

据报道，在最新研究中，为了制造出稳定的硫阴极，研究人员将硫加热到185℃，将硫元素由8个原子组成的环路融化成长链，随后，他们让硫链同二异丁烯混合，二异丁烯让硫链连接在一起，最终得到了一种混合聚合物。他们把这一过程称为“逆向硫化”，因为它与制造橡胶轮胎的过程类似，关键的区别在于：在轮胎中，含碳材料会聚集成一大块，硫则点缀其中。

研究人员解释道，添加二异丁烯使硫阴极不那么容易破碎，也阻止了锂硫化合物结晶。研究表明，硫和二异丁烯的最佳混合为二异丁烯占总质量的10%～20%。如果太少，无法保护阴极；如果太多，电化学性能不活跃的二异丁烯会降低电池的能量密度。

测试表明，经过500次循环后，电池的能量密度仍为最初的一半多。佩恩表示，其他还处于实验阶段的锂硫电池也有同样的性能，但其制造成本高昂，很难进行工业化生产。索尔斯表示，尽管如此，这种锂硫电池短期内也不会上市，硫暴露在空气中很容易燃烧，因此，任何经济可行的锂硫电池都需要经过非常严苛的安全测试，才能投放市场。

（5）开发出硫阴极更加经久耐用的锂硫电池。2015年1月，加拿大固态能源材料研究中心主任、滑铁卢大学化学教授琳达·纳扎尔领导，该校博士后萧亮和研究生康纳·哈特、庞泉等人组成的研究小组，在《自然·通讯》杂志上发表论文称，他们在锂硫电池技术上取得了一项重大突破。他们借助一种超薄纳米材料，开发出一种更加经久耐用的硫阴极。该成果有望制造出重量更轻、性能更好、价格更便宜的电动汽车电池。

据报道，该研究小组发现的这种新材料能够保持硫阴极的稳定性，克服了目前制造锂硫电池所面临的主要障碍。在理论上，同样重量的锂硫电池不但能够为电动汽车提供3倍于目前普通锂离子电池的续航时间，还会比锂离子电池更便宜。纳扎尔说，这是一项重大的进步，让高性能的锂硫电池近在眼前。

该研究小组对锂硫电池技术的研究，最初为人所知是在2009年。当时，他们发表在《自然》杂志上的一篇论文，用纳米材料证明了锂硫电池的可行性。理论上，相对于目前在锂离子电池中所使用的锂钴氧化物，作为阴极材料，硫更富有竞争力。因为硫材料储量丰富，重量轻且便宜。但不幸的是，由于硫会溶解到电解质溶液当中，形成硫化物，用硫制成的阴极仅仅几周后就会消耗殆尽，从而导致电池失效。

该研究小组最初认为，多孔碳或石墨烯能够通过诱捕的方式把硫化物稳定下来。但是一个让他们意想不到的转折是，事实并非如此，最终的答案既不是多孔碳也不是多孔石墨烯，而是金属氧化物。

他们最初关于金属氧化物的研究，曾发表在2014年8月出版的《自然·通讯》杂志上。虽然研究人员自那以后发现，二氧化锰纳米片比二氧化钛性能更好，但新的论文主要是阐明它们的工作机制。

纳扎尔说：“在开发出新的材料之前，你必须专注于这一现象，找到它们的运行机理。”研究人员发现，超薄二氧化锰纳米片表面的化学活性能够较好地固定硫阴极，并最终制成了一个可循环充电超过2000个周期的高性能阴极材料。

研究人员称，这种材料表面的化学反应与1845年德国硫化学黄金时代发现的瓦肯·罗德尔溶液中的化学反应类似。纳扎尔说：“众所周知，现在已经很少有科学家研究甚至是讲授硫化学了。于是，我们不得不去找很久之前的文献，来了解这种可能从根本上改变我们未来的技术。”

该研究小组还发现，氧化石墨烯似乎也有着类似的工作机制。他们目前正在试验其他氧化物，以确定最有效的硫固定材料。

（6）研制大幅度增加电池容量的锂硫电池。2015年8月，日经中文网报道，通过在锂离子电池的电极采用硫、将电池容量增加至4～5倍的技术正相继得到开发。硫易溶于电解液，但日本产业技术综合研究所高级主任研究员荣部比夏里领导的研究小组，通过使其与电极金属紧密结合克服了这个问题。此外，日本关西大学石川正司教授主持的研究小组，也在电极结构上下功夫，解决了问题。如果该技术得以在锂离子电池上应用，将有望大幅减少给智能手机等便携终端充电的频度。计划与电池企业等联手，力争3～5年后推向实用。

锂离子电池，由锂离子通过电解液，在正极和负极之间来回移动，实现反复充放电。正极采用包括稀有金属在内的钴酸锂等。

硫具有大量存储电力的特性，适于充当电极材料，同时并非稀有资源。把硫加工为微颗粒状、在增加表面积的基础上用于正极的研究等正在推进。不过，此前存在一个问题，即如果反复充放电，硫黄将溶于电解液，降低电池的性能。

荣部研究小组，开发了使正极采用的金属和硫微颗粒物强烈结合的技术。该技术是把铁和钛等金属与硫制成粉末，与由陶瓷制成的小球一起混合。借助小球相互碰撞之际的冲击，使金属原子和硫得以紧密结合。

1个金属原子可与4～6个硫微颗粒物结合。荣部研究小组把这种材料用于正极，试制了电池。电池容量达到以往锂离子电池的3～5倍。虽然电压仅为一半，但通过在电路构造等方面下功夫，能够提升电压。将与电池企业合作，在2015年度内试制用于手机的大尺寸电池，以确认实用性。

另外，石川研究小组也开发了一项技术。该技术，是向电极采用的碳上打开的直径数纳米孔洞中，渗入硫微颗粒物。制成微颗粒物易于固定的均匀尺寸的孔洞，并高效将硫充填到孔洞中。通过此方法制成的电极，重量约30%为硫，而电池容量达到以往的4倍。

石川研究小组制作了正极，进行了电池测试。即使反复进行数百次充放电仍能保持性能。而充电所需时间，缩短为以往锂离子电池的1/20。今后，将增加渗入碳的硫微颗粒物数量，力争5年后推向实用。

3.研制其他材质锂电池的新进展

（1）用磷酸铁锂涂层研制出可快速充电的锂电池。2009年6月，有关媒体报道，美国一个由电子专家组成的研究小组，正在研发一种超级电池，只需花10秒钟就可为手机充电，或在数分钟内就可为手提电脑充电，并有助发展新一代超轻便手机。

目前的磷酸铁锂电池可储存大量电力，但释放及吸取电力的速度则很缓慢。因此，电动车以稳定速度在高速公路行驶时的性能比加速时更佳，而电池的电力用完后要花数小时才能完成充电。问题出在锂原子，这些带电子的离子在电池物质中的运行速度很慢，要花很长时间才能到达电池端传送电力。

该研究小组想出一个解决方法，他们创制出一种磷酸铁锂涂层，将离子推向隧道，就像支路系统一样。离子便可迅速通过隧道入口，移至电池端。

他们表示，这个方法大大改善离子流量，理论上，以此方法制成的手机电池，可在10秒内充电；而充电式混合电动车所用的大电池也可在5分钟内充电，比起目前的6～8小时要快得多。

与其他电池材料不同，磷酸铁锂电池重复充电后，也不会老化得很快。而且，它不需要达到一定重量才能传送电力，因此可以比其他电池更细小轻巧。

（2）用聚二甲硅氧烷研制出低成本透明的锂离子电池。2011年7月25日，美国斯坦福大学材料与工程系副教授崔毅和他的研究生杨远等人组成的研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表论文称，他们研发出一种透明的锂电池，其柔韧性非常好，而且，成本与常规电池相当，有望在消费电子领域“大展拳脚”。

此前，已有几家公司成功制造出部分透明的电子产品，比如数字相框和具有透明键盘的手机。然而，由于电池中关键的活跃材料，迄今还无法制造成透明状或用透明材料替代，全透明的电子书阅读器或手机还没问世。现在，该研究小组研发出一款“透明的锂离子电池”，让全透明手机离人们更近了一步。

该透明电池的电极为网格状架构，网格中每条线的宽度约为35微米（人眼的分辨能力介于50～100微米，如果材料小于50微米，人眼看来它就是透明的），因为单条线如此细小，光会穿过网络线之间的透明缝隙，整个网眼区域看起来就是透明的。

为制造该透明电池，崔毅和杨远设计出精巧独特的三步过程。首先，他们选定了透明而有弹性的化合物聚二甲硅氧烷（PDMS），替代铜或铝等不透明的常规材料。化合物聚二甲硅氧烷非常便宜，但它不导电，为此，他们将它倒进硅模型中制造出了网格状的沟槽，然后让金属薄膜产生的蒸气飘在沟槽上方，制造出了一个导电层。随后，他们将包含有纳米级有效电极材料的溶液倒入沟槽中制造出了电极。接下来，杨远对一种凝胶电解液进行改变，使其既做电解液又做分离器。因为普通电池中被用来做分离器的材料都不透明，因此，这是关键的一步。

通过把新的透明的电解液，精确地放置在两个电极之间，研究小组制造出一块功能性的透明电池，而且，可以通过添加多层让透明电池体型更大、功能更强。

只要网线能精确地匹配，透明性就能一直保持。光传输测试显示，该电池在可见光中的透明性为62%；三个电池层叠在一起的透明性为60%，而且，整个电池非常柔软。更重要的是，其成本同常规电池一样。

杨远说：“唯一的限制是，这种透明电池的能量密度比普通锂电池低，同镍镉电池差不多。”大多数手提电脑和手机都由锂电池提供电力；镍镉电池主要用于数码相机和其他能量密度较小的设备上。不过，该透明电池的能量密度可以通过改进材料性能而不断完善。

崔毅已为该电池申请了专利，并乐观地表示，透明电池对基础研究非常重要；他们也希望同苹果公司合作，让人们在未来能拥有透明的苹果手机。

（3）用石墨烯和锡层叠组成的纳米复合材料研制高性能锂离子电池。2011年7月，美国劳伦斯伯克利国家实验室分子基地科学家张跃刚领导，他的同事姬立文等人参与的一个研究小组，在《能源和环境科学》杂志上发表论文称，他们制造出一种由石墨烯和锡层叠在一起组成的纳米复合材料，这种可用来制造大容量能源存储设备的轻质新材料可用于锂离子电池中，其“三明治”结构也有助于提升锂离子电池的性能。

张跃刚表示：“电动汽车需要轻质电池，也要求这种电池能快速地充电，且其充电能力不会因持续充放电而有所降低。我们最新研制出的石墨烯纳米复合材料，可以改进电池的性能。”

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的二维晶体，只有一层碳原子的厚度，是迄今最薄也最坚硬的材料，其导电、导热性能超强，远远超过硅和其他传统的半导体材料。很多人认为，石墨烯可能取代硅成为未来的电子元件材料，在超级计算机、触摸屏和光子传感器等多个领域“大显身手”。该研究小组此前的研究，也都专注于石墨烯在电子设备上的应用。

在最新研究中，研究人员把石墨烯和锡交替层叠，制造出这种纳米复合材料。他们把一层锡薄膜沉积在石墨烯上，接着在锡薄膜上方放置另一层石墨烯，然后不断重复这个过程制造出了这种复合材料。他们还对材料进行了热处理，通过在一个充满氢气和氩气的环境中将其加热到300℃，锡薄膜转变成很多柱子，增加了锡层的高度。