第5章 电池领域的创新信息(4)

（2）研发基于剪纸艺术的弹性可伸缩锂离子电池。2015年6月11日，美国亚利桑那大学电子专家姜汉卿领导的一个研究小组，在《科学报告》期刊网络版上发表论文称，他们基于剪纸技艺，发明了一种弹性可伸缩电池。它能在保持功能的情况下，伸展到原始尺寸的150%以上。该新电池可以用来为智能手表供电，能够很容易就结合到手表的弹性腕带中，未来在开发同类设备时，或将替代刚性电池和块状电池。

弹性可伸缩能量存储装置适用于多种“不可能的任务”，一些传统电池所不能涉及的设备，都将能由这种新型电池来进行驱动。一直以来，研究人员在开发这种新电池时采用了很多种方法，包括也曾想到用折纸的概念来生产可折叠电池。然而，基于折纸技术的设备只能在一个平面上折叠，而且形成的表面十分不平整。

现在，这些问题被该研究小组解决了。他们设计的锂离子电池，使用了剪纸艺术——这本是折纸技艺的一种，现在却结合了其中折叠和剪裁的技术，生产出全新的电池，使其能在保持功能的同时伸展到原始长度的150%以上。作为试验，研究人员把电池原型缝进智能手表的松紧带里，当电池伸长的时候，它仍能给手表供电。

这种灵活的电池，将助力可拉伸电子装置的设计与制造。研究人员提出，新电池显示出在便携可穿戴设备上的潜力，特别是在开发紧凑型可穿戴设备的过程中，用它替代刚性电池和块状电池是非常合适的。

（三）开发大容量高性能的锂离子电池

1.研制大容量锂离子电池的新进展

（1）推出电池容量大幅提高的新型复合锂离子电池。2005年2月，日本媒体报道，迄今为止，人们一直是通过电池的使用寿命来体现其体积和功能之间的平衡。索尼公司于近日在业内推出一种新型复合锂离子充电电池，使这种平衡达到新一阶段的极致。

与常规锂离子电池相比，这种新型电池使用了非晶锡阳极材料，可使每单位体积的容量提高30%。索尼在最初将把该电池用于其摄像机产品的电池组来销售。

与常规电池阳极采用石墨材料不同的是，索尼结合了非晶锡阳极材料，将每单位体积的锂离子存储容量提高50%，从而使电池的总容量提高30%。

索尼能源公司副总经理介绍说：“索尼自1991年开始，销售锂离子备用电池以来，通过增强阳极使用的碳和其他材料的性能以及电池结构的改善，电池容量提高了1倍还多。新开发的非晶锡材料是一种高容量的阳极材料，将使我们的电池在新一代锂离子备用电池中处于领先地位。我们将通过技术开发来进一步提高电池的容量，使产品具备更高的性能和更长的使用寿命。”

尽管锡和硅或这两种元素的混合物可使锂离子充电电池具备很高的容量，但在充电或放电过程中，其颗粒形状的变化倾向都很强烈，这就要求改进电池重复使用的衰变特征。索尼开发的非晶锡阳极，结合新型阴极、电解液和电池结构，促成了新一代锂离子电池的诞生，使之具备了更高的耐久性和容量。另外，该电池改善了充放电特性，缩短了低温条件下的充电时间。

具体说来，这款复合锂离子充电电池具有四大特征。

一是非晶锡阳极。新开发的非晶锡阳极材料包含了多种元素，如锡、钴、碳等，这些元素以纳米大小进行混合，而这与使用软质碳和硬质碳及石墨的常规电池相反。通过在锡混合物中添加多种元素，研究人员能够最大限度地减小这些元素在充放电时的形状改变，解决了重复使用性方面的问题。与常规石墨阳极相比，这可以将每单位体积的锂离子密度，显著提高50%。

二是多级复合阴极。在阴极，钴、镍、镁等多种金属离子以优化后的原子比例，呈晶体结构结合在一起，形成了多金属氧化材料，然后将这种材料添加到经过同样优化、高温高阻抗的锂质材料中。通过推出多级复合阴极，这种电池在同样的充电电压下，实现更高的电池容量。同时还避免过度放电，增强可靠性。

三是增强低温条件下的特性。在0℃或室温（25℃）条件下，可使充满电的这种电池放电90%。另外，零下20℃的放电量被提高了40%（常规电池的放电量为450毫安时），从而延长了雪天和冬季的摄录时间。

四是充电效率的提高。该电池可以在30分钟左右的时间里充电90%。与常规电池的石墨阳极相比，非晶锡阳极提高了锂离子的亲和性，与常规电池相比，充电效率提高了20%。

（2）研发出大容量圆筒形的锂离子电池。2009年12月，日本媒体报道，松下电器产业公司近日开发出新型锂离子电池，其容量达4安时，可应用于电动汽车、笔记本电脑等各种设备。

报道说，松下公司使用镍系材料作为电池的正极，负极则采用硅系合金开发出的这种大容量圆筒形锂离子电池，其容量比现有产品高近30%。

据介绍，这种锂离子电池可连接成模块，充当电动汽车的动力源或家用蓄电池。这种新型电池连接成模块后，其一次充电后可将电动汽车的续航里程延长约35%。

锂离子电池是目前众多移动设备不可或缺的电源。与其他蓄电系统相比，使用锂离子电池的蓄电系统具备轻便、大容量等优势，其前景被普遍看好。据悉，松下公司希望在三年后批量生产这款锂离子电池。

2.研制高性能锂离子电池的新进展

（1）开发出具有强大导电性的固态锂电池。2011年8月，日本一个开发锂电池的研究小组，在《自然·材料学》上发表论文说，他们开发出一种能像电解液一样产生电流的固态电介质，并用其制造出了固态锂电池，其导电性可达到现有液态锂离子电池的水平。研究人员表示，由于固体更紧密坚固，这种高导电性的固态锂电池能在更宽的温度范围下供电，抵抗物理损伤和高温的能力更强。

锂离子电池由于能效密度高、再充性能好、使用损耗小等优点，普遍用于消费电子领域和电动汽车。目前高能效、高密度的化学电池，只能靠液态电介质才能实现，而液态介质比较脆弱，需要给电池附加多重安全防护措施，这就使得大型电池系统既复杂又昂贵。而现有的固体电介质实际电导率很低，只能达到液态电解液的1/10左右，对温度变化较敏感，工作温度限制在了50～80℃范围。

研究小组开发的称为锂“超离子”导体的新材料，仍然用锂作离子导体，但给它们涂了一层晶体结构层，天然晶格就成了允许离子通过的小孔，外层结构生成了让离子能够运动的通道。他们对这种固态锂电池进行了测试，发现其在导电性能上达到了现有液态锂离子电池的水平，而且新电池能在-100～100℃的温度范围内工作。

研究人员指出，这种固态电介质电池在制造上易于成型、模压和组装，制造工艺更加简单而廉价，稳定性好不挥发。如果大量生产，有望降低消费型电子设备的价格，尤其是在电池就占了近一半成本的电动汽车领域。

（2）研制出具有高度灵活性可喷涂在任何物体表面的锂离子电池。2012年6月28日，美国莱斯大学一个研究小组，在《自然》网络版上发表研究成果称，他们开发出一种几乎可以喷涂在任何物体表面上的锂离子电池。这种可充电电池组成的喷漆，每一层都代表着传统电池的组件。

传统的锂离子电池，把活性层包装进筒式或其他便携式容器里，而该研究小组找到一种方法，可将其涂到任何物体表面之上，从而开启了可以把物体表面变成存储设备的可能性。

研究人员表示：“这意味着，传统包装的电池已经让位于更为灵活的方法，增加了各种新的存储设备的设计和集成的可能性。最近以来，很多人有兴趣用改进外形因素的方式，创造新式电源，而这种喷涂电池朝这一方向前进了一大步。”

该材料可以喷刷到浴室的陶瓷砖、柔性聚合物、玻璃、不锈钢甚至啤酒杯上。在最初的实验中，将几个基于浴室瓷砖的太阳能电池并联连接，它可以把实验室中的光转换成电源。电池可单独给一套发光二极管供电6个小时，同时电池提供了稳定的2.4伏电压。研究报告称，手涂电池在±10%的目标内，其性能显示出一致性；在经过60次充放电循环后，其容量只有非常小的下降。

该研究小组比较艰苦地用数个小时制定配方、混合和测试这种包含有5层结构的涂料，这些层面分别是两个电流集电器、阴极、阳极和在中间分隔的聚合物。每一层都经过优化处理。首先，正电流收集器是一种纯化的单壁碳纳米管与炭黑粒子分散于N-甲基吡咯烷酮的混合物；二是阴极中包含钴酸锂、碳和超细石墨粉末黏合剂；三是KynarFlex树脂、聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅聚合物分离涂料分散混合在溶剂中；四是阳极里含有锂钛氧化物和黏合剂中的超细晶混合物；最后一层是负电流收集器，采用市售的导电铜漆，可用乙醇稀释。

研究人员说：“最难的部分是实现机械稳定性和使分离器发挥关键的作用。研究发现，纳米管和阴极层黏着得很好，而如果分隔器没有机械稳定性，将会剥离基板。添加聚甲基丙烯酸甲酯可以给予分离器正向的附着力。一旦经过喷涂，瓷砖和其他物品被注入电解液，热封后会带电。”

研究人员已经申请了技术专利，并打算继续完善。他们正在积极寻找在露天更容易创造喷涂电池的电解质，并且他们还设想将这种电池设计成锁扣式瓷片，以采用任何数量的方式配置瓷砖。

（3）开发出智能水平高，会自动报警的锂离子电池。2014年10月，有关媒体报道，锂离子电池会为人们的笔记本电脑、移动电话和电动汽车提供能源。它们是紧凑和可充电的，但是也存在一个巨大的缺点：这些电池偶尔会突然起火。2013年，两架飞机上的锂离子电池着火后，波音公司停飞了全部机群。

现在，材料科学家找到一个聪明的方法，能够在危险发生前向受损电池使用者发出警告。相关研究成果发表在《自然·通讯》杂志网络版上。

一块典型的锂离子电池，包括氧化锂阴极和石墨阳极，它们被一片极薄的多孔聚合物薄片分离，这个薄片允许离子在电极之间游走。当电池被过度充电时，被称为“树枝晶”的锂的微观链条会从阳极萌发出来，并刺穿聚合物分离器，直到它们接触到阴极。

穿过树枝晶到达阴极的电流，能使电池发生短路，从而引起电池过热，有时会发生火灾。尝试阻止树枝晶形成，可以减少发生火灾的可能，因此研究人员在尝试一些不同的东西。

科学家制造了一个“智能”分离器——在两个聚合物薄片中间，加入一个50纳米厚的铜薄片，并且将铜薄层与第三电极相连。当树枝晶到达分离器时，阳极和铜层间的电压会降为零，这会警示使用者及时更换受损电池，以避免危险。

（四）开发用于电动汽车的锂离子电池

1.研制储能容量大的车用锂离子电池

着手研发单次充电的储能可跑500千米的电动车锂电池。2012年6月，以色列一家网站报道，以色列正在抓紧开发，单次充电满足500千米行车能耗的锂电池，并把它作为新成立的国家电化学推进中心的主要研发任务。

2014年4月，以色列成立国家电化学推进中心，它已获得1170万美元的国家财政预算支持。该中心由100名研究人员构成，被分成12个小组。他们分别来自特拉维夫大学、以色列科技学院、巴伊兰大学、艾瑞尔撒马利亚中心大学4个学术机构。成立该中心的唯一目的，是研究和开发能够更加有效存储电能的新技术。

该研究中心主任、巴伊兰大学化学系多伦·乌尔巴赫教授称：“由于政治上的原因以及将来的短缺问题，石油没有未来。政治家的心态已经发生变化，这种变化已经渗透到汽车行业，最后到电池生产商。他们都希望采用电动汽车。事实上，如今电动汽车已经能够行驶150千米，这对于一般的以色列人已经足够，但他们仍然想要增加电动汽车的行驶里程。”

乌尔巴赫解释说：“现代电化学学科的最大成功，是发明可充电的锂离子电池。这是适合电子设备的好电池，但对于一辆汽车而言，可能需要许多这样的电池才行。如今，BetterPlace在其电动汽车上，所使用的电池重达300千克，足以满足电动汽车行驶150千米的能耗。我们的目标是在不增加重量和体积的前提下，增加其存储电量。”

电动汽车生产商经常会遇到的一个问题，是电池放电速度受限，换言之，电池必须在更短时间内释放更多电能，这是电动汽车提速所需的。因此，该中心正在努力开发超级电容器，可以在预定时间内供应所需的能量。

这些电容器，能够为电能存储提供一套解决方案。高端先进的电池，可以减少对用于生产电能的石油、煤及天然气的依赖性。太阳能和风能无法持续供应大量电能，这意味着能量存储，是可再生能源发展中的主要挑战之一。

2.开发制造成本低的车用锂离子电池

（1）开发出石墨负极材料的低成本车用锂离子电池。2009年4月，日本昭和电工对媒体宣布，大型锂离子充电电池用石墨做负极材料开发成功，并已开始销售。因日本国内外多款电动汽车的大型锂离子充电电池已决定采用，所以销售已经开始。汽车锂电池负极材料用石墨制作，可以降低能耗，降低制造成本，产品性能也更加稳定。