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西安新能源汽車產(chǎn)業(yè)“快馬加鞭”。新華社記者 劉瀟攝


2022年7月，第28屆中國蘭州投資貿(mào)易洽談會(huì)在甘肅省蘭州市開幕。圖為參展的新能源汽車。新華社記者 張智敏攝

環(huán)保，節(jié)能，不限行，電費(fèi)還便宜！盡管新能源汽車具備如此多的優(yōu)點(diǎn)，但我們也常?？吹?，“高速上新能源車突然電量不足，無法堅(jiān)持到下個(gè)服務(wù)區(qū)”“多車等待一個(gè)充電樁，排隊(duì)4小時(shí)充電1小時(shí)”的新聞。“充電樁數(shù)量少”“充電時(shí)間長”“續(xù)航里程短”是新能源車主抱怨最多的三個(gè)點(diǎn)，也是長期制約新能源車發(fā)展的“三座大山”。如何翻越這“三座大山”，實(shí)現(xiàn)新能源車更廣、更快、更好的普及呢？你一定想到了，電池！

1 理想的鋰電池跑得遠(yuǎn)、充電快、更安全

理想中，新能源汽車的電池至少得是這個(gè)樣子：第一，它的容量得高，保證汽車跑得遠(yuǎn)；第二，它得充電快，保證等待時(shí)間短；第三，它的穩(wěn)定性要強(qiáng)，保證上路更安全。如此，發(fā)展目標(biāo)就很明確，就是要研發(fā)新一代“大容量”“高倍率”“長循環(huán)”的電池。

為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，自1991年鋰離子電池商業(yè)化以來，作為鋰離子電池的核心組件，科學(xué)家們?cè)阡囯x子電池的電極材料方面展開了大量的研究工作。

電池都有正負(fù)極，鋰電池也不例外。無論正極材料還是負(fù)極材料，理想的電極材料都應(yīng)該具備：良好的脫鋰嵌鋰可逆性、較高的質(zhì)量比容量、平穩(wěn)的氧化還原電位平臺(tái)、較高的電子電導(dǎo)率、離子電導(dǎo)率與鋰離子擴(kuò)散系數(shù)和良好的穩(wěn)定性等。正極材料與負(fù)極材料的區(qū)別在于鋰離子嵌入的電位高低，嵌入電位較高者為正極材料，嵌入電位低的為負(fù)極材料。

鋰離子電池的正極材料和負(fù)極材料的發(fā)展歷程，也頗有故事。鋰離子電池自90年代初由索尼公司首度商業(yè)化以來，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出多種正極材料體系。最早商業(yè)化的正極材料是鈷酸鋰，它同時(shí)也是歷史最久最成熟的鋰離子電池正極材料，至今都有著非常廣泛的應(yīng)用。然而鈷酸鋰不是萬能的，鈷酸鋰體系雖然能量密度高、比容量大，循環(huán)壽命和安全性較為可觀，但是穩(wěn)定性稍顯不足，且在高電壓工況條件下電池容量衰減較嚴(yán)重。

隨后科研人員又開發(fā)出了錳酸鋰體系，這雖然能夠解決鈷酸鋰穩(wěn)定性不足的問題，但是自身存在三價(jià)錳溶解的巨大缺陷，目前已經(jīng)逐漸淡出了鋰離子電池正極材料的舞臺(tái)。磷酸鐵鋰體系由于鋰離子脫嵌前后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、循環(huán)性好、鋰離子循環(huán)后容量衰減緩慢、毒性低，從誕生之初就被認(rèn)為是電動(dòng)汽車電池最理想的正極材料，然而該體系的電子導(dǎo)電率較低，極大地影響了電池的整體性能。

由兩種金屬構(gòu)成的正極材料無法很好地滿足需求，科學(xué)家們又將目光投向了三元材料。三元材料鎳鈷錳酸鋰是通過鈷酸鋰的摻雜制備而成，它的安全性比鈷酸鋰更高。三元材料在空氣中易氧化形成不穩(wěn)定的表面，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷和鎳鋰混排，使得材料內(nèi)阻增加，電化學(xué)活性降低，產(chǎn)生晶間裂紋和微應(yīng)變，形成額外的絕緣膜，增加材料阻抗，使三元材料性能下降。目前來看，三元材料的成熟商業(yè)化仍然有較長的路要走。

總體來看，鋰電池的正極材料正朝著高比容量、高安全性、高循環(huán)效率的發(fā)展方向前進(jìn)，傳統(tǒng)材料盡管技術(shù)成熟，但是已經(jīng)無法滿足動(dòng)力電池領(lǐng)域不斷的需求，未來在正極材料領(lǐng)域會(huì)出現(xiàn)更多的突破性技術(shù)。

2 金屬鋰雖好卻是“帶刺的玫瑰”

鋰電池的負(fù)極材料，同樣是關(guān)鍵。它對(duì)于電池的首次循環(huán)效率、循環(huán)壽命、倍率性能和安全性能有著直接影響。第一代鋰離子電池負(fù)極材料直接采用金屬鋰，但在充放電過程中容易產(chǎn)生枝晶。金屬鋰在長時(shí)間充放電后，表面就會(huì)長出枝晶。這就像光滑的平面突然長出千萬根刺，可想而知這朵“帶刺的玫瑰”最終可能會(huì)戳穿電池，造成短路，甚至引發(fā)爆炸。

第二代負(fù)極材料采用鋰鋁合金解決了金屬鋰產(chǎn)生枝晶的問題，但材料在循環(huán)過程中體積變化大，材料主體易粉化脫落，循環(huán)性不佳。第三代負(fù)極材料是釆用層狀石墨碳材料，該材料在鋰脫嵌過程中電位接近鋰本身的電位，層狀結(jié)構(gòu)有利于鋰的嵌入脫出，大大提高了鋰離子電池的循環(huán)和安全性能。時(shí)至今日，大規(guī)模商業(yè)化的負(fù)極材料依然主要是石墨類碳材料和鈦酸鋰兩大類。

盡管石墨類碳材料和鈦酸鋰在商業(yè)化方面比較成熟，但是這兩類材料都有一個(gè)固有缺陷就是理論比容量都較低，這使得當(dāng)前鋰離子電池的能量密度還不能滿足動(dòng)力電池的更高要求。

因此，未來鋰離子電池負(fù)極材料的發(fā)展可能會(huì)呈現(xiàn)“兩條腿走路”的態(tài)勢，一條是回歸初心，重新選用金屬鋰作為負(fù)極材料，研究的重心集中于如何克服金屬鋰在長時(shí)間充放電過程中的枝晶問題；另一條路是針對(duì)目前對(duì)于高能量密度的緊迫需求，改善現(xiàn)有電池體系，有針對(duì)性地替換電極材料，并尋找可真正產(chǎn)業(yè)化、有應(yīng)用前景的負(fù)極材料。

3 用銅房子隔絕金屬鋰的“刺”

經(jīng)過大量的對(duì)比，我們團(tuán)隊(duì)最終鎖定金屬鋰作為負(fù)極材料的研究重點(diǎn)，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)金屬鋰?yán)碚撊萘渴悄壳吧虡I(yè)化鋰電池負(fù)極材料的10倍以上，而且它的導(dǎo)電性很好，是最為理想的負(fù)極材料之一。如果能妥善解決枝晶問題，那就離生產(chǎn)容量大，能快速充電的鋰電池又近了一步。

如何解決枝晶問題呢？目前通用的解決辦法之一是構(gòu)建出三維銅集流體。金屬鋰負(fù)極需要用銅作為集流體，金屬鋰在長時(shí)間充放電后會(huì)長出枝晶，可能穿透隔膜造成短路甚至引起爆炸。研究表明，如果把平面銅做成三維銅，可減少絕對(duì)電流密度，從而抑制鋰枝晶的生長；同時(shí)，三維結(jié)構(gòu)的銅集流體可有效誘導(dǎo)鋰沉積在基底內(nèi)部，從而避免枝晶穿透隔膜。這就好像搭建一座銅房子，讓“刺”在屋內(nèi)生長，從而無法穿透房間。

可是問題又來了，直接構(gòu)建這座房子不僅耗時(shí)耗力，而且成本很高，無法規(guī)?；a(chǎn)。因此，這個(gè)研究仍止步于實(shí)驗(yàn)室，極大地限制了金屬鋰的商業(yè)化進(jìn)程。因此如何能低成本、高效可重復(fù)性地制作出三維銅，是頗具挑戰(zhàn)的研究課題。

我們嘗試了多種方法，如水熱法、氣相沉積法等，但結(jié)果都不盡如人意。正當(dāng)我們百思不得其解時(shí)，一個(gè)常見又有趣的現(xiàn)象引起了我們的關(guān)注。

在哈佛留學(xué)時(shí)，由于當(dāng)?shù)氐牟ㄊ款D龍蝦非常有名，因此我經(jīng)常買。蒸熟的龍蝦呈現(xiàn)紅色，但它的紅色并非天生，而是由于高溫使青黑色的龍蝦變成了紅色。正是這個(gè)再常見不過的現(xiàn)象讓我突然想到：如果龍蝦的紅色不是天生而是后來轉(zhuǎn)變的，那我們?yōu)槭裁匆獔?zhí)著于直接制備紅色的三維銅？如果我們可以讓一種便宜的三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成銅呢？我們立即調(diào)整了研究方向：轉(zhuǎn)化！與其從無到有直接搭建銅房子，不如先搭建一座便宜的布房子再粉刷上一層銅，使其變成紅色的銅房子。點(diǎn)石成金無法實(shí)現(xiàn)，但點(diǎn)布成銅卻具備可行性。

4 輕而薄的紙也可用來制作鋰電池

在尋找的過程中，又一個(gè)有趣的小生物——貽貝進(jìn)入了我們的視線。這種貝殼可分泌出一種黏性蛋白，這些黏性蛋白如同黏結(jié)劑一般使貽貝可以牢牢吸附在船底。對(duì)于船只而言，貽貝并不受歡迎，如果原本光滑的船底長滿了貽貝則會(huì)使阻力大大增加，增加燃油消耗甚至對(duì)船底鋼板也有腐蝕作用。

但這個(gè)讓漁夫們無比頭疼的小家伙，卻給我們很大的啟發(fā)，能不能模仿貽貝，來給金屬鋰建造一個(gè)表面牢牢吸附銅的“房子”呢？

自然界中貽貝分泌的黏性蛋白可牢牢吸附在幾乎任何材料的表面。而貽貝黏蛋白的核心成分與多巴胺類似，因此可以使用多巴胺溶液來代替。將廉價(jià)易得的玻璃纖維布等，浸泡在多巴胺的溶液中，多巴胺能不能牢牢吸附在材料表面呢？

基于這樣的想法，我們提出一種新穎的轉(zhuǎn)化思路：在普通多孔材料表面包覆銅層，從而將基底材料變成三維銅骨架。整個(gè)過程分為聚多巴胺涂層的負(fù)載和銅單質(zhì)的沉積兩步。首先將基底材料浸泡于多巴胺溶液中，利用多巴胺的原位聚合，在材料表面負(fù)載聚多巴胺涂層；第二步利用聚多巴胺和銅離子的螯合作用，加入二甲胺硼烷加強(qiáng)還原作用，從而通過無電沉積成功將銅單質(zhì)均勻包覆在纖維表面。

經(jīng)過試驗(yàn)，白色的布房子果然變成了吸附多巴胺的黑色房子。再加入還原劑和銅離子溶液，反應(yīng)24小時(shí)后，黑色的多巴胺房子真的變成了紅色的銅房子。

材料表面最終變?yōu)榧t棕色，可直觀證實(shí)銅單質(zhì)的沉積成功。整個(gè)過程簡單、高效、對(duì)環(huán)境無污染。

不僅如此，將玻璃纖維布換成其他更常見的材料，通過簡單的浸泡，玻璃纖維、泡沫鎳、聚碳酸酯濾膜、宣紙等常規(guī)無機(jī)及有機(jī)多孔材料都成功完成了三維儲(chǔ)鋰銅骨架的構(gòu)建，也得到了令人滿意的結(jié)果。這證實(shí)了方法的高效性，也極大拓寬了材料的可選擇性。這意味著，這種轉(zhuǎn)化方法不需要特別的化學(xué)試劑和儀器設(shè)備，就可將多種材料(無機(jī)、有機(jī)聚合物等)轉(zhuǎn)換為三維儲(chǔ)鋰骨架。

制備好的新型電池進(jìn)行電化學(xué)測試，循環(huán)600小時(shí)后庫倫效率依然保持在94%，長周期循環(huán)性能顯著提高。這種簡單卻具有普適性的方法可以將常見多孔材料轉(zhuǎn)化成高效的儲(chǔ)鋰骨架，為構(gòu)建三維集流體提供新的解決思路，大幅度降低電池成本。同時(shí)，三維儲(chǔ)鋰結(jié)構(gòu)可有效調(diào)控鋰離子沉積行為，從根本上調(diào)節(jié)鋰金屬成核和生長過程，有效抑制枝晶形成，推動(dòng)鋰金屬負(fù)極二次電池的商業(yè)化。

基于此，我們?cè)阡囯x子電池的能量密度、安全性和充放電速率方面取得了重大突破，并大幅度降低了電池生產(chǎn)成本，為新一代動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了合理可行的新思路。相關(guān)研究工作已經(jīng)成功申請(qǐng)國際專利并在國際知名期刊發(fā)表多篇高水平論文。

可以想象，在不遠(yuǎn)的未來，我們有希望將手中輕而薄的紙，進(jìn)行適當(dāng)改性，也可用于制作大容量低成本的電池。

5 期望鋰電池未來助力美好生活

在科技高速發(fā)展的今日，鋰電池早已走進(jìn)了千家萬戶，目前鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于電動(dòng)汽車、電子產(chǎn)品和航天等幾大類。

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，鋰電池當(dāng)前仍然是市場占比最高的首選能源，其清潔、零排放的優(yōu)點(diǎn)在“雙碳”政策下會(huì)進(jìn)一步放大。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前鋰離子電池電動(dòng)汽車在里程、續(xù)航和安全性方面都有了較大的提高；電子產(chǎn)品領(lǐng)域是鋰離子電池的傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域，手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦的電池全都離不開鋰離子電池。

隨著充放電性能的不斷提高，將使鋰離子電池未來在電動(dòng)工具領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。盡管在航天領(lǐng)域的應(yīng)用大家不常聽說，但實(shí)際上，早在2004年鋰離子電池就被應(yīng)用于火星著陸器和火星車中，目前航天領(lǐng)域中鋰離子電池的應(yīng)用主要在為發(fā)射、飛行校正、夜間操作等提供支持。

半個(gè)世紀(jì)的鋰電池發(fā)展史波瀾壯闊。時(shí)至今日，研究人員仍然在為研發(fā)更好的電池不斷探索，期望鋰電池未來能更好地為人類的美好生活助力。 

原標(biāo)題：更好的鋰電池什么樣