中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：生活中，幾乎每個(gè)人都曾因手機(jī)電量即將耗盡而焦急不已，并希望手機(jī)的電池容量如果能再大點(diǎn)兒該多好。
“手機(jī)電池只是可充放電池的一個(gè)小應(yīng)用。如今，隨著電動(dòng)交通、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)高能量、長(zhǎng)續(xù)航可充放電池的需求日益迫切。”天津大學(xué)教授胡文彬告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，單位電池中可容納的電量多少被稱為能量密度。如何在重量更輕、體積更小的情況下，提高電池的能量密度，已成為電池領(lǐng)域需要攻克的一大技術(shù)問(wèn)題。
不久前，胡文彬團(tuán)隊(duì)與合作者在國(guó)際上首次提出鋰金屬電池電解液“離域化”設(shè)計(jì)理念，并研制出能量密度超過(guò)600瓦時(shí)/公斤的軟包電芯和480瓦時(shí)/公斤的模組電池，比傳統(tǒng)鋰電池的能量密度和續(xù)航能力提高了2~3倍。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然》。
“偏科”的鋰金屬電池
當(dāng)前，可充放電池的“主流”是鋰電池。但很多人不知道的是，鋰電池有個(gè)全名——鋰離子電池。“鋰離子電池的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，主要由某些氧化物材料構(gòu)成的正極、石墨材料構(gòu)成的負(fù)極，以及夾雜著鋰離子的電解液組成。”團(tuán)隊(duì)成員、天津大學(xué)教授韓曉鵬說(shuō)，鋰離子電池的充放電過(guò)程其實(shí)就是鋰離子在正負(fù)極之間不斷嵌入和脫嵌的過(guò)程。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。
研究人員指出，決定鋰離子電池能量密度的重要因素，是電池的正負(fù)極能夠容納多少鋰離子，目前鋰離子電池能量密度不高的主要癥結(jié)就在于此。
韓曉鵬告訴記者，目前用來(lái)制作鋰離子電池負(fù)極的材料主要是石墨。這種材料的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低廉、性能穩(wěn)定且十分安全。但它的缺點(diǎn)也十分明顯，比如鋰離子容納能力不足。這直接導(dǎo)致電池能夠“充入”的電量不多，從而顯著影響電池的續(xù)航能力。
目前，科研人員已經(jīng)研發(fā)出新的替代方案——鋰金屬電池。
“相較于鋰離子電池，鋰金屬電池最大的變化是將負(fù)極的制作材料由石墨變?yōu)榧兘饘黉??！焙谋蛘f(shuō)，這一改變大幅度提升了負(fù)極的鋰離子容納能力，但也帶來(lái)了一系列新問(wèn)題。比如，鋰金屬的造價(jià)比石墨高很多，且鋰元素的性質(zhì)十分活躍，極易與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。
“更重要的是，科研人員還要解決鋰負(fù)極與正極及電解液之間的適配問(wèn)題?！焙谋蛘f(shuō)。
在這個(gè)問(wèn)題上，目前傳統(tǒng)的電解液設(shè)計(jì)主要依賴溶劑主導(dǎo)或陰離子主導(dǎo)的溶劑化結(jié)構(gòu)，很難同時(shí)兼顧電池能量輸出和循環(huán)壽命的提升要求。
“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是目前的電解液設(shè)計(jì)往往只能集中于電池的一種特性，要么集中于提升電池容量，要么集中于提升電池的耐久度，總之，不能實(shí)現(xiàn)性能的全面兼顧。”韓曉鵬解釋說(shuō)，這就像一個(gè)嚴(yán)重偏科的學(xué)生，只有一科成績(jī)優(yōu)秀，其他學(xué)科十分平庸。
胡文彬團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)就是讓鋰金屬電池這名“偏科生”能夠“全面發(fā)展”。
顯著提升電池性能
研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的“離域電解液”設(shè)計(jì)理念，其核心思路是通過(guò)引入多樣化的電解液微環(huán)境，增加溶劑化環(huán)境的無(wú)序性，優(yōu)化整體電解液性能。
“離域電解液主要由多種鋰鹽和溶劑組成。要想突破傳統(tǒng)電解液系統(tǒng)的局限，就得實(shí)現(xiàn)在溶劑化結(jié)構(gòu)分布上點(diǎn)、線、面的跨越，使鋰離子在多個(gè)局部環(huán)境中協(xié)調(diào)，提高鋰離子的擴(kuò)散性，從而提升電池整體性能?！表n曉鵬說(shuō)。
為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員借助人工智能，對(duì)近300種溶劑和100種鋰鹽的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)溶劑和鋰鹽進(jìn)行分類。通過(guò)分析，他們選取了表現(xiàn)最佳的類別，并將其用于離域電解液的設(shè)計(jì)。
為驗(yàn)證離域電解液設(shè)計(jì)的有效性，研究團(tuán)隊(duì)用這種電解液組裝了多款高能鋰金屬電池。在一系列測(cè)試中，電池成功實(shí)現(xiàn)了超過(guò)600瓦時(shí)/公斤的能量密度。這是目前世界范圍內(nèi)能量密度最高的鋰金屬軟包電池，且經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后，電池的能量密度仍未出現(xiàn)明顯衰減。
“這足以證明離域電解液顯著提升了電池性能，特別是能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性?！表n曉鵬說(shuō)。
在安全性方面，研究人員進(jìn)行了一系列的熱失控和機(jī)械沖擊測(cè)試。結(jié)果表明，采用離域電解液的電池在熱和機(jī)械穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出更高的性能，且氣體釋放顯著少于現(xiàn)有的鋰金屬電池，顯示出更好的安全性。
用電池為產(chǎn)業(yè)發(fā)展“松綁”
為進(jìn)一步驗(yàn)證離域電解液在大規(guī)模應(yīng)用方面的潛力，研究團(tuán)隊(duì)組裝了一臺(tái)3.9千瓦時(shí)的鋰金屬電池組。該電池組的能量密度達(dá)到了480.9瓦時(shí)/公斤，并在25次循環(huán)后保持穩(wěn)定性能。
受訪時(shí)，胡文彬表示，一旦這種大規(guī)模應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，將在很多方面為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展“松綁”。
“目前，電池能量密度過(guò)低、續(xù)航力差的問(wèn)題束縛著很多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！焙谋蛞允謾C(jī)為例解釋說(shuō)，對(duì)于消費(fèi)者而言，電池能量密度低導(dǎo)致很多手機(jī)一天就得充一次電，否則難以保證正常使用。但如果能將手機(jī)電池的能量密度提升，“一周兩充”將不再是奢望。
這還不是最重要的，因?yàn)殡姵啬芰棵芏戎苯又萍s了手機(jī)屏幕的擴(kuò)大及相關(guān)程序的安裝量，畢竟過(guò)大的屏幕及過(guò)多的程序會(huì)消耗更多電量。“如果手機(jī)電池的電量可以提升兩到三倍，手機(jī)的未來(lái)發(fā)展將會(huì)獲得比現(xiàn)在大得多的空間?！焙谋蛘f(shuō)。
此外，伴隨著我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無(wú)人飛行器的電量問(wèn)題也越來(lái)越凸顯?！半娏恐苯又萍s無(wú)人機(jī)的飛行里程，甚至引發(fā)‘里程焦慮’。”他說(shuō)，類似情況也會(huì)出現(xiàn)在深海乃至太空的探索過(guò)程中，而消除這些“焦慮”的最主要途徑，就是在保持電池體積大體不變的前提下，大幅提升其能量密度。
“總之，隨著相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，人們對(duì)于高能量電池的需求將日益增加，而我們的高能鋰電池技術(shù)有望為這些領(lǐng)域提供更高效的能源解決方案，這也是我們未來(lái)努力的方向。”胡文彬說(shuō)。（記者 陳彬 通訊員 劉曉艷）
