隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源與環(huán)境已經(jīng)成為人類發(fā)展和生存的重大問(wèn)題。內(nèi)燃機(jī)汽車使用的燃料（石油資源）皆為一次性能源，開(kāi)發(fā)使用后便不可再生。隨著全球能源消耗的日益突出，石油儲(chǔ)量越來(lái)越少，汽車燃料品質(zhì)及數(shù)量將越來(lái)越難以保證。

拙劣的油品將帶來(lái)更加糟糕的汽車尾氣排放，據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示在世界各地的大、中城市，大氣污染物中約40-70%來(lái)自于內(nèi)燃機(jī)汽車尾氣排放。作為破壞環(huán)境的最大殺手，內(nèi)燃機(jī)汽車尾氣讓不少政府頭疼不已。在政策的支持及能源環(huán)境的“逼迫下”，各國(guó)的新能源車的研究工作均在火爆的進(jìn)行中，以電動(dòng)力為驅(qū)動(dòng)的新能源汽車的研究工作更是“百家爭(zhēng)鳴”。

汽車動(dòng)力電池

下文為過(guò)去的2017年各院校的“電池技術(shù)”研究動(dòng)態(tài)大回顧。

1、美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校與韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)

研究關(guān)鍵詞：錳基鈉離子更低成本鋰電池材料

美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校與韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)共同研發(fā)出一款全新電池，其采用錳基鈉離子材料。該材料或?qū)?strong>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(dòng)車使用。他們采用鈉取代了陽(yáng)極內(nèi)占比最大的材料——鋰，并用錳取代價(jià)格更為昂貴、儲(chǔ)量更為稀缺的鈷和鎳。

該研究團(tuán)隊(duì)采用了合理的原材料配比并攻克了上述技術(shù)難題。他們先采用了計(jì)算機(jī)模擬，進(jìn)而測(cè)定了電池達(dá)到最佳性能時(shí)各原子的配置，然后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了大量的材料測(cè)試直至研發(fā)成功。

2、麻省理工學(xué)院

研究關(guān)鍵詞：表面光滑的固態(tài)電解質(zhì)可有效防止鋰滲透

麻省理工大學(xué)的研究人員與德國(guó)的同行們共同提出，若采用表面光滑的固態(tài)電解質(zhì)，可防止有害的鋰滲透（Li infiltration）現(xiàn)象出現(xiàn)，進(jìn)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(wèn)題的關(guān)鍵所在，電解質(zhì)表面的細(xì)微裂紋及劃痕將導(dǎo)致金屬物的積聚。

在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，來(lái)自電解質(zhì)的鋰（離子）將開(kāi)始積聚到其表面細(xì)微瑕疵（包括：細(xì)微的凹點(diǎn)、裂痕、劃痕）處。一旦鋰離子開(kāi)始在瑕疵處形成積聚，這一情況將會(huì)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(zhì)表面的光滑度，這樣或?qū)⑾驑O大地減少電池固態(tài)電解質(zhì)樹(shù)突的生成數(shù)量。為避免產(chǎn)生易燃問(wèn)題，或許未來(lái)還會(huì)采用固態(tài)鋰金屬電極。此外，該舉措或?qū)⑹逛囯x子電池的能量密度翻番。

3、東京工業(yè)大學(xué)

研究關(guān)鍵詞：錫硅替代鍺固態(tài)電解質(zhì)，降低固態(tài)鋰電池的成本

東京工業(yè)大學(xué)的研究人員研發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)方案--無(wú)鍺固態(tài)電解質(zhì)，可降低固態(tài)鋰電池的成本，并致力于將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)車、通信及其他行業(yè)中。

該研究團(tuán)隊(duì)在在美國(guó)化學(xué)會(huì)期刊——《材料化學(xué)》上發(fā)表了論文，其技術(shù)方案為：采用錫與硅替代固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)的鍺元素，因?yàn)樯鲜鰞身?xiàng)材料的化學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)。相較于液態(tài)電解質(zhì)，新材料提升了鋰離子的導(dǎo)電率。在談?wù)撈溲芯砍晒麜r(shí)，與他的同事表示：“這款固態(tài)電解質(zhì)不含鍺，未來(lái)或許所有固態(tài)電池都會(huì)采用該電解質(zhì)。”

配有固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)電池系統(tǒng)有望角逐新一代電池。據(jù)估計(jì)，該類電池所能提供的電量大、能源密度高、性能穩(wěn)定、安全性能也有所提高。硫化物基鋰離子導(dǎo)體的導(dǎo)電性高、電化學(xué)窗口及機(jī)械性能也不錯(cuò)。為此，目前許多機(jī)構(gòu)都在大力研發(fā)固態(tài)電解質(zhì)。

4、美國(guó)萊斯大學(xué)

研究關(guān)鍵詞：石墨烯+碳納米管解決電池樹(shù)突問(wèn)題

萊斯大學(xué)的研究人員們宣布了一種新型鋰基可充電電池原型，其容量可達(dá)到當(dāng)前鋰離子電池的三倍。據(jù)了解，該技術(shù)有望解決掉目前嚴(yán)重影響電池壽命，甚至可以解決造成電池短路起火爆炸危險(xiǎn)的樹(shù)突問(wèn)題，所以，這項(xiàng)技術(shù)有望成為鋰金屬電池中的一項(xiàng)新進(jìn)展。

關(guān)于鋰電池樹(shù)突問(wèn)題：隨著使用時(shí)間的增加，充電電池內(nèi)的電極會(huì)長(zhǎng)出微小的樹(shù)枝狀細(xì)絲，稱為樹(shù)突或枝晶，這會(huì)造成短路報(bào)廢電池，甚至點(diǎn)著起火。許多金屬電池，包括鋰電池所面臨的這個(gè)樹(shù)突問(wèn)題就目前而言無(wú)法得到徹底的解決。

萊斯大學(xué)的研究人員們想出的解決該問(wèn)題的方案是：采用碳與石墨烯納米管組成的“獨(dú)特陽(yáng)極”，運(yùn)用該技術(shù)，以及包覆了一層碳的鋰金屬電池，能夠避免樹(shù)突在陽(yáng)極上的大量蔓延。經(jīng)過(guò)這樣處理的新型鋰基可充電電池原型每克可存儲(chǔ) 3351 mAh 的能量，相較于目前的技術(shù)來(lái)說(shuō)確實(shí)是一個(gè)很大的進(jìn)步

5、肯塔基大學(xué)與中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)

研究關(guān)鍵詞：非黏合性硅基氧化物/碳復(fù)合物及微型SiOx/C芯殼（core–shell）復(fù)合物緩解陽(yáng)極材質(zhì)膨脹。

由于硅的能量密度較高，因此其成為了一款極具吸引力的鋰離子電池陽(yáng)極材料。然而，在充電周期內(nèi)，當(dāng)電芯里的硅在與鋰交互時(shí)，其膨脹收縮可達(dá)300%。而隨著時(shí)間的推移，它會(huì)明顯降低電池的性能、短路、并最終導(dǎo)致電池報(bào)廢。為改進(jìn)上述缺點(diǎn)并大體維持電池的能量密度，目前采用一氧化硅（SiOx, x ≈ 1）來(lái)制作鋰離子電池的陽(yáng)極。

美國(guó)團(tuán)隊(duì)的研究成果：非黏合性硅基氧化物/碳復(fù)合物

肯塔基大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將硅基氧化物顆粒物與硫酸鹽木質(zhì)素混合后，合成了一種高性能的非黏合性硅基氧化物/碳復(fù)合物，用于制作鋰離子電池的電極。經(jīng)熱處理后，木質(zhì)素形成一種導(dǎo)電體，可容納大量的硅基氧化物顆粒，確保電子導(dǎo)電率、連接性、適應(yīng)鋰化/脫鋰反應(yīng)期間的體積變動(dòng)。該材質(zhì)無(wú)需采用常規(guī)的粘合劑或?qū)щ妱?/span>

該復(fù)合材質(zhì)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(duì)較小的硅基氧化物電極（160%）而言，其機(jī)械電化學(xué)性能較為出色，木質(zhì)素碳素矩陣的彈性較大，可適應(yīng)體積變動(dòng)。

中國(guó)團(tuán)隊(duì)的研究的成果：微型SiOx/C芯殼（core–shell）復(fù)合物

中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)制備微型SiOx/C芯殼（core-shell）復(fù)合物。將檸檬酸與經(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(zhì)地均勻的SiOx/C芯殼復(fù)合物-SiOx微芯與檸檬酸碳?xì)ぁ?/span>

碳?xì)ご蠓嵘斯杌趸锏碾妼?dǎo)率，緩和了適應(yīng)鋰化/脫鋰反應(yīng)期間的體積變化。采用SiOx/C復(fù)合物制作的電極，其可逆比容量為1296.3 mAh/g，庫(kù)倫效率高達(dá)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(tuán)隊(duì)透露，該復(fù)合物的放電效能極為出色，該方法可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，具有成本效益，可大批量生產(chǎn)由SiOx/C復(fù)合物制作的高性能陽(yáng)極材料。

6、美國(guó)德雷塞爾大學(xué)（Drexel University）與中國(guó)團(tuán)隊(duì)

研究關(guān)鍵詞：MXene電極實(shí)現(xiàn)快速充電及更大電池容量

美國(guó)德雷塞爾大學(xué)（Drexel University）的材料科學(xué)與工程學(xué)專業(yè)的研究員們與法國(guó)、以色列研究人員共同設(shè)計(jì)了新款鋰電池電極，或許未來(lái)電動(dòng)車的充電耗時(shí)只需短短數(shù)秒。

新款鋰電池的電極采用了一款名為MXene的二維材料，其導(dǎo)電性高。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(gè)充電過(guò)程只需數(shù)十毫秒。這主要得益于MXene材質(zhì)的超高導(dǎo)電性，為未來(lái)研發(fā)超快速儲(chǔ)能設(shè)備鋪平了道路，未來(lái)鋰電池的充放電耗時(shí)將僅需數(shù)秒，且所儲(chǔ)存的電能要遠(yuǎn)高于常規(guī)的超級(jí)電容器。”

MXene材質(zhì)簡(jiǎn)介

二維過(guò)渡金屬碳化物或碳氮化物，即MXenes。MXene是一款扁平的納米材料，于2011年被德雷塞爾大學(xué)材料科學(xué)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(dǎo)電的碳及金屬填充物構(gòu)成，而氧化物相當(dāng)于三明治中的面包，將填充物夾在中間。在材料制造過(guò)程中，研究人員將采用層壓法來(lái)制作MXene。

7、慕尼黑工業(yè)大學(xué)

研究關(guān)鍵詞：磷酸鈷鋰陰極、微波合成法

慕尼黑工業(yè)大學(xué)研發(fā)了一項(xiàng)新工藝，用于生產(chǎn)高壓陰極材料磷酸鈷鋰，使其生產(chǎn)更為快捷、方便，且價(jià)格便宜、品質(zhì)最優(yōu)，進(jìn)一步提升了電動(dòng)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：只需使用一個(gè)小型微波爐，再耗費(fèi)0.5小時(shí)，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容器內(nèi)，加入試劑后用微波爐加熱。微波爐的功率無(wú)需太高，只要600瓦就夠用了，所需的反應(yīng)溫度在250℃，在該條件下可觸發(fā)結(jié)晶反應(yīng)。

Jennifer Ludwig的研究工作獲得了寶馬的支持，她與勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、斯坦福同步加速器輻射光源及Walther-Mei?ner-Institut（WMI）共同開(kāi)展該項(xiàng)研究合作。

8、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校科克雷爾工程學(xué)院

研究關(guān)鍵詞：納米金屬箔、納米級(jí)合金陽(yáng)極高效儲(chǔ)能

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校科克雷爾工程學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了新陽(yáng)極材料族--納米金屬箔，使鋰電池陽(yáng)極的充電電量翻一番，這意味著未來(lái)儲(chǔ)能系統(tǒng)將變得更高效。

新陽(yáng)極材料組可節(jié)省大量的陽(yáng)極制造時(shí)間及材料用量，只需簡(jiǎn)單的兩步，就能實(shí)現(xiàn)鋰離子陽(yáng)極的量產(chǎn)化。相較于當(dāng)前鋰離子電池所采用的石墨及黃銅陽(yáng)極，研究人員所創(chuàng)造箔材料的厚度與重量只有前者的四分之一。

Manthiram與他的團(tuán)隊(duì)在研發(fā)新的陽(yáng)極材料，該材料由共晶合金制成，采用機(jī)械軋制法，將其加工為納米結(jié)構(gòu)的金屬箔。該研究的主要作者Kreder認(rèn)識(shí)到，或可采用傳統(tǒng)的金屬合金工藝，將微米級(jí)合金陽(yáng)極（micrometer-scale alloy anode）加工為納米材料。

9、于利希研究中心與美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

研究關(guān)鍵詞：鐵-空氣電池更大的能量密度

鐵-空氣電池的能量密度要遠(yuǎn)高于當(dāng)前的鋰離子電池。此外，其主要構(gòu)成物“鐵”的儲(chǔ)量十分富足，該材料的價(jià)格也很便宜。為此，于利希研究中心與美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已成功觀測(cè)到電池運(yùn)行期間鐵電極上的積聚物是如何形成的，其觀測(cè)精度可達(dá)納米級(jí)。

據(jù)估計(jì)，鐵-空氣電池能量密度的理論值在1200 Wh/kg，相較之下，當(dāng)前鋰離子電池的能量密度約為600 Wh/kg，若將電芯外殼的重量納入考慮，其能量密度將低于350 Wh/kg。

鋰-空氣電池的最大能量密度將達(dá)到11400 Wh/kg，但其技術(shù)難度極大、復(fù)雜性較高。然而，如果按體積能量密度來(lái)比對(duì)，鐵-空氣電池的表現(xiàn)則更好：9700 Wh/l，幾乎是當(dāng)前鋰離子電池（2000 Wh/l）體積能量密度的5倍，鋰-空氣電池的體積能量密度“僅為”6000 Wh/l。對(duì)于眾多移動(dòng)設(shè)備而言，鐵-空氣電池的吸引力依然很大，因?yàn)轶w積（空間）要求也成為了移動(dòng)應(yīng)用的一項(xiàng)重要參數(shù)指標(biāo)。

然而，距該產(chǎn)品的市場(chǎng)成熟尚有一段時(shí)間。研究人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了數(shù)千次的充放電試驗(yàn)，盡管鐵質(zhì)孤島電極在運(yùn)行時(shí)并未出現(xiàn)較大的能量損失，但鐵-空氣電池在采用空氣電極作為電池的另一極后，充放電次數(shù)卻只維持在20-30次。

10、上海復(fù)旦大學(xué)能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心

研究關(guān)鍵詞：富鋰陰極、非石墨烯化、硬碳、預(yù)鋰化硬碳

上海復(fù)旦大學(xué)能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的研究人員采用了耐寒型硬碳陽(yáng)極及功能強(qiáng)大的富鋰陰極。“非石墨烯化”或“硬”碳是電池內(nèi)的一款低成本電極材料，且頗具市場(chǎng)前景。即使在低溫下，可展現(xiàn)其快速的嵌鋰能力。在電池充放電期間，鋰離子可通過(guò)電解質(zhì)從陽(yáng)極移動(dòng)至陰極，反之亦然。

現(xiàn)已證實(shí)，預(yù)鋰化硬碳是一款功能強(qiáng)大的鋰離子電容器材料。然而，預(yù)鋰化工藝很復(fù)雜，也很費(fèi)錢，其涉及到純鋰電極。

研究人員引入了一款富鋰釩磷酸釩陰極，可用于鋰化及常規(guī)電池操作。在首次充電過(guò)程中，鋰離子會(huì)嵌入并存儲(chǔ)。然后，研究人員結(jié)合利用了鋰離子減少的磷酸釩陰極與預(yù)鋰化硬碳陽(yáng)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(shí)還展現(xiàn)了類似超級(jí)電容的的高電量及長(zhǎng)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(yù)鋰化硬碳陽(yáng)極的快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。目前，研究人員還在進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試，從而提升該款電化學(xué)電池的其他參數(shù)。

但該款產(chǎn)品存在一個(gè)瑕疵，在極寒條件下，其電解質(zhì)將喪失導(dǎo)電性。若能解決該問(wèn)題，該電池系統(tǒng)或許能提供具有吸引力的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其最佳性能，提升電動(dòng)車電池的抗寒能力。

11、滑鐵盧大學(xué)

研究關(guān)鍵詞：鋰金屬電極讓使電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程數(shù)翻三倍

滑鐵盧大學(xué)的新研究或?qū)⑹闺姵匮邪l(fā)取得突破性進(jìn)步，使電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程數(shù)翻三倍。該項(xiàng)技術(shù)突破包括：采用鋰金屬制作的負(fù)極，該材料或?qū)⒋蠓嵘姵氐膬?chǔ)能。

儲(chǔ)能或能量密度的提升或?qū)⑹闺妱?dòng)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(xiàng)技術(shù)時(shí)，Pang及其同事們不得不克服兩項(xiàng)技術(shù)難題。

研究人員向電池的電解液內(nèi)加入了磷及硫等化學(xué)物質(zhì)，同時(shí)克服了上述兩項(xiàng)難題。該化學(xué)物將同電池內(nèi)的鋰金屬電極發(fā)生反應(yīng)，研究人員還為該電池電極涂覆了極薄的保護(hù)層。

該方法提升了電池性能，發(fā)揮了鋰金屬電極的優(yōu)點(diǎn)，提升了電池的儲(chǔ)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)。

12、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

研究關(guān)鍵詞：電極裂縫可在汽車事故中避免電池故障風(fēng)險(xiǎn)

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的研究人員提出了新的鋰離子電池設(shè)計(jì)理念，其電機(jī)內(nèi)部存在裂縫，可在汽車事故中避免電池故障風(fēng)險(xiǎn)。

該設(shè)計(jì)理念或?qū)⒃试S電池制造商按比例縮小外殼材料，這類材料通常可防止電動(dòng)車出現(xiàn)機(jī)械損壞，提升整體能量密度及成本。該團(tuán)隊(duì)對(duì)樣品進(jìn)行了壓力測(cè)試，利用大金屬球按壓標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到初始值的93%。若換作標(biāo)準(zhǔn)電池，同等傷害會(huì)導(dǎo)致電池充分放電并出現(xiàn)故障。

對(duì)于該款重新設(shè)計(jì)的電池而言，電極的裂縫制作只會(huì)增加少量制造成本，并不要求對(duì)該款電池進(jìn)行大幅改動(dòng)，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為未來(lái)該技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模將擴(kuò)大。然而，目前還需要做更多的測(cè)試。

全文到此結(jié)束，希望能給奮斗在電池技術(shù)研究汪洋大海中的你一點(diǎn)點(diǎn)啟發(fā)。

參考來(lái)源：李文龍 蓋世汽車

編輯：粉體