為提升電動車的續(xù)航里程數(shù)，中國以及其它各國的大學及研究機構也紛紛致力于電池技術及產(chǎn)品的技術研發(fā)及測試。他們分別進展得如何了？
1. 德克薩斯大學與韓國首爾國立大學
關鍵詞：錳基鈉離子、鋰電池
美國德克薩斯大學達拉斯分校(University of Texas， Dallas)與韓國首爾國立大學(Seoul National University)共同研發(fā)出一款全新電池，其采用錳基鈉離子(manganese and sodium-ion-based material)材料。該材料或將降低電池成本，且生態(tài)環(huán)保性更佳，所制成的電池可供電動車使用。
Dr. Kyeongjae Cho
他們采用鈉取代了陽極內占比最大的材料——鋰，并用錳取代價格更為昂貴、儲量更為稀缺的鈷和鎳。該研究團隊采用了合理的原材料配比并攻克了上述技術難題。他們先采用了計算機模擬，進而測定了電池達到最佳性能時各原子的配置，然后在實驗室內進行了大量的材料測試直至研發(fā)成功。
2. 麻省理工學院(MIT)
關鍵詞：固態(tài)電池、鋰滲透、固態(tài)電解質、表面光滑度
據(jù)外媒報道，麻省理工大學(MIT)的研究人員與德國的同行們共同提出，若采用表面光滑的固態(tài)電解質(solid electrolyte)，可防止有害的鋰滲透(Li infiltration)現(xiàn)象出現(xiàn)，進而提升固態(tài)鋰離子電池的性能。據(jù)新分析表明，表面的光滑度才是該問題的關鍵所在，電解質表面的細微裂紋及劃痕將導致金屬物的積聚。
在發(fā)生電化學反應(electrochemical reaction)后，來自電解質的鋰(離子)將開始積聚到其表面細微瑕疵(包括：細微的凹點、裂痕、劃痕)處。一旦鋰離子開始在瑕疵處形成積聚，這一情況將會持續(xù)下去。
這表明研究人員需要將研究重心放在提升固態(tài)電解質表面的光滑度，這樣或將消除或極大地減少電池固態(tài)電解質樹突的生成數(shù)量。為避免產(chǎn)生易燃問題，或許未來還會采用固態(tài)鋰金屬電極。此外，該舉措或將使鋰離子電池的能量密度翻番。
3. 東京工業(yè)大學
關鍵詞：無鍺固態(tài)電解質、全固態(tài)電池的優(yōu)勢、優(yōu)化LGPS框架結構提升性能
東京工業(yè)大學(Tokyo Institute of Technology)的研究人員研發(fā)了一項新技術方案——無鍺固態(tài)電解質，可降低固態(tài)鋰電池的成本，并致力于將該項技術應用到電動車、通信及其他行業(yè)中。
無鍺固態(tài)電解質
該研究團隊在在美國化學會(ACS)期刊——《材料化學(Chemistry of Materials)》上發(fā)表了論文，其技術方案為：采用錫與硅替代固態(tài)電解質內的鍺(germanium)元素，因為上述兩項材料的化學穩(wěn)定性更強。相較于液態(tài)電解質，新材料提升了鋰離子的導電率。在談論其研究成果時，Ryoji Kanno與他的同事表示：“這款固態(tài)電解質不含鍺，未來或許所有固態(tài)電池都會采用該電解質?！?
全固態(tài)電池LiCoO2/LGPS/In-Li采用LGPS電解質，其充放電性能相當出色。然而，鍺元素價格相對較貴，或將限制LGPS材料的廣泛應用。在設計鋰離子導體時，晶體結構類型也是一項重要因素。未來，硅基及錫基的無鍺材料均可能被用作為固態(tài)電解質并得到實際應用。
? 全固態(tài)電池的優(yōu)勢
相較于采用鋰離子導電液體的常見鋰離子電池，未來的全固態(tài)電池擁有以下優(yōu)勢：安全性及可靠性得到提升，儲能量較高、使用壽命更長。
超離子導體(superionic conductors)——固態(tài)晶體(solid crystals)的研究發(fā)現(xiàn)提升了鋰離子的移動速率，進而促進這類電池的研發(fā)進展，但這款前景較好的設計卻一度依賴于對稀有金屬鍺的應用，由于其價格過于昂貴，無法實現(xiàn)大規(guī)模應用。
? 優(yōu)化LGPS框架結構提升性能
在最近發(fā)布的一篇論文中，研究人員保留了相同的LGPS框架結構，對錫、硅及其他成分的原子的速率及位置分布進行了精密調整。其研究成果LSSPS材料(成分：Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4))在室溫下的鋰離子導電性為1.1 x 10-2 S cm-1，幾乎接近最初的LGPS結構的性能。
盡管還需要進行進一步的調整，研究人員可根據(jù)其不同的用途來優(yōu)化材料性能，為降低生產(chǎn)成本帶來了新希望，且不必犧牲材料的性能。
4.肯塔基大學與中國研究團隊
關鍵詞：硅基氧化物陽極、非黏合性硅基氧化物/碳復合物、微型SiOx/C芯殼(core–shell)復合物
在充電周期內，當電芯里的硅在與鋰交互時，其膨脹收縮可達300%。而隨著時間的推移，它會明顯降低電池的性能、短路、并最終導致電池報廢。為改進上述缺點并大體維持電池的能量密度，目前采用一氧化硅(SiOx， x ≈ 1)來制作鋰離子電池的陽極。
?硅基氧化物陽極的應用
硅基氧化物的可逆比容量(reversible specific capacity)較高，循環(huán)性能也有所提升。然而，該材質仍不可避免地出現(xiàn)體積改變，且導電性弱。如今，中國和美國的研究團隊各自發(fā)表了研究結果，找到了兩種新的改進方法。
?美國團隊的研究成果：非黏合性硅基氧化物/碳復合物
肯塔基大學(University of Kentucky)研究團隊將硅基氧化物顆粒物與硫酸鹽木質素(Kraft lignin)混合后，合成了一種高性能的非黏合性硅基氧化物/碳復合物(binder-free SiOx/C)，用于制作鋰離子電池的電極。經(jīng)熱處理后，木質素形成一種導電體(conductive matrix)，可容納大量的硅基氧化物顆粒，確保電子導電率(electronic conductivity)、連接性、適應鋰化/脫鋰反應(lithiation/delithiation)期間的體積變動。該材質無需采用常規(guī)的粘合劑或導電劑。
該復合材質制作的電極的性能表現(xiàn)極為出色。相較于體積變化率相對較小的硅基氧化物電極(160%)而言，其機械電化學性能較為出色，木質素碳素矩陣(carbon matrix)的彈性較大，可適應體積變動。
?中國團隊的研究的成果：微型SiOx/C芯殼(core–shell)復合物
中國研究團隊則研發(fā)了一款高效的解決方案，制備微型SiOx/C芯殼(core–shell)復合物。該研究團隊將檸檬酸(citric acid)與經(jīng)球磨而制的硅基氧化物相混合使其碳化，隨后就獲得了一款質地均勻的SiOx/C芯殼復合物——SiOx微芯與檸檬酸碳殼(conformal carbon shell)。
碳殼大幅提升了硅基氧化物的電導率，緩和了適應鋰化/脫鋰反應期間的體積變化。采用SiOx/C復合物制作的電極，其可逆比容量為1296.3 mAh/g，庫倫效率(coulombic efficiency)高達99.8%，充放電200次后，容量保持率在65.1%(843.5 mAh/g)。
據(jù)該研究團隊透露，該復合物的放電效能極為出色，該方法可實現(xiàn)批量生產(chǎn)，具有成本效益，可大批量生產(chǎn)由SiOx/C復合物制作的高性能陽極材料。
5.美國德雷塞爾大學與中國團隊
關鍵詞：MXene材料、“近即時(near-instant)”充電、超級電容器
據(jù)外媒報道，美國德雷塞爾大學(Drexel University)的材料科學與工程學專業(yè)的研究員們與法國、以色列研究人員共同設計了新款鋰電池電極，或許未來電動車的充電耗時只需短短數(shù)秒。
? 新款鋰離子電池電極簡介
新款鋰電池的電極采用了一款名為MXene的二維材料，其導電性高。據(jù)研究團隊透露，未來新款鋰電池或許能實現(xiàn)電動車的“近即時(near-instant)”充電。
研究員Gogotsi在一份聲明中宣稱：“我們抽取了薄薄的一層MXene電極，用于演示充電速率，整個充電過程只需數(shù)十毫秒。這主要得益于MXene材質的超高導電性，為未來研發(fā)超快速儲能設備鋪平了道路，未來鋰電池的充放電耗時將僅需數(shù)秒，且所儲存的電能要遠高于常規(guī)的超級電容器?！?
? MXene材質簡介
MXene是一款扁平的納米材料，于2011年被德雷塞爾大學材料科學與工程系的研究人員所發(fā)現(xiàn)，其外觀酷似三明治，由氧化物與導電的碳及金屬填充物構成，而氧化物相當于三明治中的面包，將填充物夾在中間。在材料制造過程中，研究人員將采用層壓法來制作MXene。
?MXene材質電極的弊端及改進
為使MXene的鋰離子能自由移動，研究人員對其結構進行了一定的調整。研究人員將MXene與水凝膠(hydrogel)相混合，改變了其結構，使鋰離子能自由移動。
Yury Gogotsi表示：“理想的電極架構是多通道結構(multi-lane)，以便鋰離子高速移動。研究團隊研發(fā)的大孔隙電極設計恰好實現(xiàn)了該目標，使充電過程短短數(shù)秒內完成。”
? MXene電極的未來展望
Gogotsi表示，采用MXene作為電極材料的最大好處在于其導電性。但研究團隊也承認，該電極材料及相關技術看似頗具前景，但目前仍不確定試制成功并用于車輛后的實際情況，但他們表示，一旦應用到車輛及手機中，將徹底顛覆當前所用的電池。
6.慕尼黑工業(yè)大學
關鍵詞：磷酸鈷鋰陰極、微波合成法
據(jù)外媒報道，慕尼黑工業(yè)大學(Technical University of Munich，TUM)研發(fā)了一項新工藝，用于生產(chǎn)高壓陰極材料磷酸鈷鋰(lithium cobalt phosphate)，使其生產(chǎn)更為快捷、方便，且價格便宜、品質最優(yōu)，進一步提升了電動車車載電池的性能。
TUM研究員Jennifer Ludwig博士研發(fā)了微波合成法(microwave synthesis)：只需使用一個小型微波爐，再耗費0.5小時，就能生產(chǎn)出高純度的磷酸鈷鋰。首先，將溶劑放入聚四氟乙烯(Teflon)容器內，加入試劑后用微波爐加熱。微波爐的功率無需太高，只要600瓦就夠用了，所需的反應溫度在250℃，在該條件下可觸發(fā)結晶反應。
Jennifer Ludwig闡明了反應機理，分離出化合物，并確定其結構及特性。由于新的化合物不適合作為電池材料，她修改了該反應條件，從而只生成其所需的磷酸鈷鋰。
Jennifer Ludwig的研究工作獲得了寶馬的支持，她與勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)、斯坦福同步加速器輻射光源(Stanford Synotron Radiation Lightsource，SSRL)及Walther-Meiner-Institut(WMI)共同開展該項研究合作。
7.弗吉尼亞州立邦聯(lián)大學(VCU)
關鍵詞：固態(tài)電解質導電率、鋰超離子導體
Li3SBF4晶體結構示意圖
據(jù)外媒報道，弗吉尼亞州立邦聯(lián)大學(Virginia Commonwealth University，VCU)研究人員設計了新款鋰超離子導體(lithium superionic conductor)，其鋰離子導電性可媲美有機電解液(organic liquid electrolytes)。
研究人員在論文中宣稱，基于團簇(Cluster)的鋰離子超導體的導電性極高，室溫下為0.01S/cm到0.1 S/cm以上，而活化能(activation energy )較低，低于0.210 eV，能帶間隙(band gap)為8.5 eV。此外，其機械性能表現(xiàn)也極為出色，彈性十足，可抑制鋰樹突的增多。
Li3SBF4材料的物理模型
在鋰離子電池中，帶正極的鋰離子通過電解質進行流動。固態(tài)電解質可提升安全性、能量值及能量密度。然而，鋰離子卻在液態(tài)電解質內卻能自由流動。鋰離子在固態(tài)電解質內的流動性較差，對導電性產(chǎn)生不利影響。
為提升固態(tài)電解質的導電性，研究人員制作了一款計算模型，可去除單個負離子。負離子團簇將取代空缺的離子，前者是原子團簇，其所帶電子(electrons)要多于質子(protons)。
VCU研究團隊的方弘(Hong Fang)博士和Puru Jena教授實現(xiàn)了特定固態(tài)電解質扭曲(twist)的具象化，前者由其他人員進行過測試。最初，該電解質歸屬于反鈣鈦礦結構(antiperovskite)的晶族(family of crystals)，其所含的正離子由三個鋰原子級一個氧原子構成，正離子與單個氯原子相結合，因為后者是負離子。
在運算建模中，他們用一個負離子取代了氯原子，該負離子由一個硼原子和四個氟原子組成。
Li3S(BF4)0.5Cl0.5的晶體結構示意圖
據(jù)其研究發(fā)現(xiàn)，鋰超離子導體Li3SBF4與Li3S(BF4)0.5Cl0.5大體上擁有成為理想固態(tài)電解質的潛質。
Li3SBF4的能帶間隙為8.5 eV，RT導電性為0.01S/cm，活化能為0.210 eV，形成能(formation energy)相對較小，機械性能也很理想。而Li3S(BF4)0.5Cl0.5的RT導電性大于0.1S/cm，活化能為0.176 eV。
兩位專家共同致力于在實驗室內測試其計算模型，旨在探究鋰離子電池應用的最終形態(tài)。
8.復旦大學能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心
關鍵詞：富鋰陰極、非石墨烯化、硬碳、預鋰化硬碳
上海復旦大學能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心的研究人員采用了耐寒型硬碳陽極及功能強大的富鋰陰極(lithium-rich cathode)?！胺鞘┗?Non-graphitizable)”或“硬(hard)”碳是電池內的一款低成本電極材料，且頗具市場前景。即使在低溫下，可展現(xiàn)其快速的嵌鋰能力(intercalation kinetics of lithium ions)。在電池充放電期間，鋰離子可通過電解質從陽極移動至陰極，反之亦然。
現(xiàn)已證實，預鋰化硬碳(Prelithiated hard carbon)是一款功能強大的鋰離子電容器材料。然而，預鋰化工藝很復雜，也很費錢，其涉及到純鋰電極。
研究人員引入了一款富鋰釩磷酸釩(lithium-rich vanadium phosphate)陰極，可用于鋰化及常規(guī)電池操作。在首次充電過程中，鋰離子會嵌入并存儲。然后，研究人員結合利用了鋰離子減少的磷酸釩陰極與預鋰化硬碳陽極(LixC)，從而形成鋰離子電池工作系統(tǒng)。據(jù)研究人員解釋，該款電池保留了常規(guī)鋰離子電池的高能量密度，同時還展現(xiàn)了類似超級電容的的高電量及長使用壽命。
此外，在零下40攝氏度下，其電量保有量占到總量的2/3。相較之下，常規(guī)鋰電池的電量保有量只有10%。這主要得益于磷酸釩陰極的天然特性及預鋰化硬碳陽極的快速反應動力學。目前，研究人員還在進行進一步測試，從而提升該款電化學電池的其他參數(shù)。
但該款產(chǎn)品存在一個瑕疵，在極寒條件下，其電解質將喪失導電性。若能解決該問題，該電池系統(tǒng)或許能提供具有吸引力的產(chǎn)品設計，實現(xiàn)其最佳性能，提升電動車電池的抗寒能力。
9.滑鐵盧大學
關鍵詞：鋰金屬、磷、硫、電解液
滑鐵盧大學的新研究或將使電池研發(fā)取得突破性進步，使電動車續(xù)航里程數(shù)翻三倍。該項技術突破包括：采用鋰金屬制作的負極，該材料或將大幅提升電池的儲能。
儲能或能量密度的提升或將使電動車的續(xù)航里程數(shù)從200公里飆升至600公里。在創(chuàng)建該項技術時，Pang及其同事們不得不克服兩項技術難題。
研究人員向電池的電解液內加入了磷及硫等化學物質，同時克服了上述兩項難題。該化學物將同電池內的鋰金屬電極發(fā)生反應，研究人員還為該電池電極涂覆了極薄的保護層。
該方法提升了電池性能，發(fā)揮了鋰金屬電極的優(yōu)點，提升了電池的儲能容量，在不犧牲安全性或降低電池使用壽命的前提下，大幅提升了電池的續(xù)航里程數(shù)。
10. 美國橡樹嶺國家實驗室
關鍵詞：電極裂縫
美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的研究人員提出了新的鋰離子電池設計理念，其電機內部存在裂縫，可在汽車事故中避免電池故障風險。
該設計理念或將允許電池制造商按比例縮小外殼材料，這類材料通?？煞乐闺妱榆嚦霈F(xiàn)機械損壞，提升整體能量密度及成本。該團隊對樣品進行了壓力測試，利用大金屬球按壓標準鋰離子電池。在按壓該款電池后，其外形酷似番茄，但其電池容量依舊能達到初始值的93%。若換作標準電池，同等傷害會導致電池充分放電并出現(xiàn)故障。
對于該款重新設計的電池而言，電極的裂縫制作只會增加少量制造成本，并不要求對該款電池進行大幅改動，該團隊認為未來該技術的應用規(guī)模將擴大。然而，目前還需要做更多的測試。
11.加州大學河濱分校伯恩斯工程學院
關鍵詞：硅硫燃料電池架構、硅硫燃料電池
據(jù)外媒報道，加州大學河濱分校(University of California， Riverside，URC)伯恩斯工程學院(Bourns College of Engineering)的研究人員研發(fā)了新技術，利用硫電極及硅電極制造了高性能的鋰離子電池。
該款硅硫燃料電池(SSFC)架構逐步將受控純鋰離子整合到電池系統(tǒng)中，在C/10條件下，充放電250次后，其能量密度仍高達350 Wh/kg。
研究人員采用了納米硅結構、導電劑(conductive additives)及粘合劑(binders)等方法，最終解決了上述問題，為燃料電池制備了硫陰極及硅陽極。
目前，研究人員利用硫化鋰(lithium sulfide)或硅化鋰等預鋰化(pre-lithiated)材料，使燃料電池的能量密度高達600Wh/kg。然而，這類燃料電池的充放電次數(shù)通常很短，一般不足50次，且該類材料還需要采用專用設備，在加工時也存在諸多限制條件。
為創(chuàng)建新架構的SSFC，該團隊在傳統(tǒng)燃料電池架構的技術上新增了一片鋰箔(lithium foil)，使鋰箔能與集電器(current collector)發(fā)生接觸，在充放電時將鋰箔整合到燃料電池體系中，從而控制鋰離子的嵌入量。
在半電池(half cells)中，將采用純鋰作為陽極材料，這將引起用戶對枝狀晶體生長(樹突形成，dendrite formation)及鋰腐蝕等安全性問題的擔憂。在全電池(full-cell)模式下，可用硅來制作陽極，可緩解因純鋰陽極所引發(fā)的安全問題，同時確保燃料電池獲得所需的高電量。
該方法使得受控的鋰載荷可彌補固體電解質界面膜(SEI)形成及鋰降解，提升燃料電池的循環(huán)壽命(cycle life)。此外，該電池還采用了交流阻抗(EIS)、循環(huán)伏安法(CV)及恒電流間歇滴定法(GITT)等多種方法。該研究將為未來的硅硫燃料電池的研發(fā)奠定基礎。
12.亞利桑那州立大學(ASU)
關鍵詞：陶瓷、鋰離子電池
亞利桑那州立大學(ASU)的專家Chan提出用陶瓷來替代易燃的電解液，大部分安全問題都是由于短路引起的，電解液易著火，并引起氣體散發(fā)及材料降解等連鎖反應。
最重要的安全措施在于：避免鋰離子相關電子設備的過充或過熱。若將電池暴露在高溫環(huán)境下，將導致電池壽命縮短。團隊正在探索將具有鋰離子導電性的陶瓷納米材料與聚合物相融合，旨在獲得理想的固態(tài)電解質，并確保其良好的機械性能、較高的鋰離子導電性及提升其安全性能。
13.美國化學學會期刊《納米快報》
關鍵詞：空腔二氧化硅微球結構、非均質結構、復合微型籠式結構
美國化學學會期刊(ACS journal)《納米快報》發(fā)表了一篇論文，研究人員采用空腔二氧化硅微球(hollow silica microspheres)結構，用于容納鋰離子，其碳納米管內心可抑制枝晶生長(dendrite growth)。由于枝晶生長被抑制，在進行200多次充放電后，其電極仍能保持高速鍍/汽提效率高達99%。
最近，業(yè)內提議采用電解液添加劑(electrolyte additives)、穩(wěn)定的界面層(stable interfacial layers)及修飾電極(modified electrodes)等多種方式，旨在解決鋰金屬陽極的關鍵性問題?，F(xiàn)已證實，利用架構調整鋰枝晶積聚是最高效的方式。
盡管非均質結構(heterogeneous structure)在調節(jié)沉積行為(deposition behavior)中發(fā)揮著重要作用，但鋰金屬的精細管控機制受限于電泳條件(deposition conditions)，如：沉積性能(deposition capacity)及電流密度(current density)。因此，若沉積性能過高，需要改進該款非均質結構，需要引導，使其均勻沉淀法。
該團隊設計了復合微型籠式結構(composite microcage)，搭配碳納米管內芯(carbon nanotube core)及多孔硅護層(porous silica sheath)。復合微型籠式結構可容納鋰金屬，其非均質結構可被用作鋰離子捕獲器(trapper)。
在實驗過程中，研究團隊發(fā)現(xiàn)能高效地截留鋰金屬，其電化學性能(electrochemical performance)極佳。
總結
本文收錄的大部分研究機構及院校均從新材料方面著手，期望采用新材料及工藝，提升電池的電容量，從而提升電動車的續(xù)航里程數(shù)。也有部分研究機構從電池結構方面入手，提升電池的電化學性能。
目前業(yè)內許多公司，紛紛從陽極、陰極材料入手，一方面期望提升鋰離子的流動率，另一方面考慮更換稀土金屬，采用價格相對低廉的常規(guī)材料，降低電動車車載電池的成本，促進電動車的推廣。
