專家：鋰金屬電極瓶頸突破尚需十年光景，但值得期待
2018年01月18日 8:3 2975次瀏覽 來源： 科技新報(bào) 分類： 鋰
現(xiàn)今鋰離子電池普遍以石墨取代鋰金屬做為電池陽極，但專家知道，如果能使用鋰金屬，一個(gè)鋰電池的比能將提高 35%、能量密度提高 50%。不過看看鋰金屬電池目前的研究狀況與未來挑戰(zhàn)，美國能源部 ARPA-E 計(jì)劃負(fù)責(zé)人 Paul Albertus 認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)想獲得突破至少還要 10 年光景。
《gtm》報(bào)導(dǎo)，如果比能（specific energy）提高 35%、能量密度（energy density）提高 50% 后，相當(dāng)于電池的重量能量密度達(dá)到約 350～400Wh / Kg，體積能量密度約 1,000 Wh / L。目前，鋰離子電池組的比能為重量能量密度約 150Wh / Kg，體積能量密度 250Wh / L，而美國能源部對電動(dòng)車的目標(biāo)定在 235Wh / Kg、500Wh / L。
樹枝狀結(jié)晶（dendrite）為一種發(fā)生在鋰電池陽極的嚴(yán)重問題，也是導(dǎo)致鋰電池起火爆炸、壽命縮短的元兇，當(dāng)電池不斷循環(huán)充放電時(shí)，鋰金屬也不斷重復(fù)生成、游離，過程中電極與電解質(zhì)之間會(huì)形成固態(tài)電解質(zhì)界面（Solid electrolyte interface，SEI），如果 SEI 不穩(wěn)定，就會(huì)導(dǎo)致鋰不均勻分布在陽極上，并開始形成樹枝般的結(jié)構(gòu)，一旦樹枝延伸碰到對面的陰極便形成短路。
為了避免枝晶形成，商業(yè)化鋰電池陽極才舍棄金屬改用石墨，雖然大大降低了樹枝狀結(jié)晶形成，但電池效率也大打折扣。如果有天鋰金屬可以正式在陽極站穩(wěn)腳步，電池將能儲(chǔ)存更多能量，并迎來一場歷史性的重大革命：電動(dòng)車充一次電可以駕駛更久、電網(wǎng)有了強(qiáng)而有力的儲(chǔ)電后援軍，以便部署更多風(fēng)能和太陽能設(shè)施。
近年來，美國能源部 ARPA-E 項(xiàng)目啟動(dòng)了一項(xiàng)名為 IONICS 的儲(chǔ)能計(jì)劃，為鋰金屬電極領(lǐng)域的早期研究提供補(bǔ)助，具體使用過 ARPA-E 補(bǔ)助金的單位包括 24M、Ionic Materials、PolyPlus Battery Company、愛荷華州立大學(xué)等。
隸屬于美國能源部的西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL），則于 2015 年首次找到一種稱為六氟磷酸銫（CsPF6）的電解質(zhì)添加劑，可幫助電池陽極（負(fù)極）形成保護(hù)膜以防止枝晶形成，提升電池性能，希望為電動(dòng)車領(lǐng)域打開一條康莊大道。
不過 Albertus 認(rèn)為，鋰金屬電極結(jié)合固體材料的電解質(zhì)研究，更能使鋰金屬電池有朝一日成為鋰離子電池繼任者，因?yàn)樽畹统杀究梢越档矫壳邥r(shí)僅 100 美元，且固態(tài)電解質(zhì)的電池不易燃，操作也更安全。
這月初，中國科學(xué)家在美國化學(xué)學(xué)會(huì)的雜志上發(fā)布論文，他們以薄層不對稱的固體電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)了無枝晶生成的鋰金屬電池，電解質(zhì)面向陽極的一側(cè)是剛性陶瓷材料，抑制鋰陽極的枝晶生長；面向陰極的一側(cè)則由軟聚合物制成以達(dá)到低電阻界面目標(biāo)，透過這種不對稱固體電解質(zhì)的設(shè)，研究人員希望可在固態(tài)電池中獲得高能量密度。
對鋰金屬電極進(jìn)行研究的企業(yè)、政府實(shí)驗(yàn)室數(shù)量不在話下，但比起其他技術(shù)，如將矽用于鋰離子電池的陽極，鋰金屬電極想真正突破瓶頸可能還需要 10 年，但專家相信，一旦成功，電池產(chǎn)業(yè)的革命便指日可待。
責(zé)任編輯：周大偉
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