隨著世界經濟的快速發展，能源與環境已經成為人類發展和生存的重大問題。內燃機汽車使用的燃料（石油資源）皆為一次性能源，開發使用后便不可再生。隨著全球能源消耗的日益突出，石油儲量越來越少，汽車燃料品質及數量將越來越難以保證。

拙劣的油品將帶來更加糟糕的汽車尾氣排放，據公開數據顯示在世界各地的大、中城市，大氣污染物中約40-70%來自于內燃機汽車尾氣排放。作為破壞環境的最大殺手，內燃機汽車尾氣讓不少政府頭疼不已。在政策的支持及能源環境的“逼迫下”，各國的新能源車的研究工作均在火爆的進行中，以電動力為驅動的新能源汽車的研究工作更是“百家爭鳴”。

汽車動力電池

下文為過去的2017年各院校的“電池技術”研究動態大回顧。

1、美國德克薩斯大學達拉斯分校與韓國首爾國立大學

研究關鍵詞：錳基鈉離子更低成本鋰電池材料

美國德克薩斯大學達拉斯分校與韓國首爾國立大學共同研發出一款全新電池，其采用錳基鈉離子材料。該材料或將降低電池成本，且生態環保性更佳，所制成的電池可供電動車使用。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成功。

2、麻省理工學院

研究關鍵詞：表面光滑的固態電解質可有效防止鋰滲透

麻省理工大學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電解質，可防止有害的鋰滲透（Li infiltration）現象出現，進而提升固態鋰離子電池的性能。據新分析表明，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。

在發生電化學反應后，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，這一情況將會持續下去。

這表明研究人員需要將研究重心放在提升固態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電解質樹突的生成數量。為避免產生易燃問題，或許未來還會采用固態鋰金屬電極。此外，該舉措或將使鋰離子電池的能量密度翻番。

3、東京工業大學

研究關鍵詞：錫硅替代鍺固態電解質，降低固態鋰電池的成本

東京工業大學的研究人員研發了一項新技術方案--無鍺固態電解質，可降低固態鋰電池的成本，并致力于將該項技術應用到電動車、通信及其他行業中。

該研究團隊在在美國化學會期刊——《材料化學》上發表了論文，其技術方案為：采用錫與硅替代固態電解質內的鍺元素，因為上述兩項材料的化學穩定性更強。相較于液態電解質，新材料提升了鋰離子的導電率。在談論其研究成果時，與他的同事表示：“這款固態電解質不含鍺，未來或許所有固態電池都會采用該電解質。”

配有固態電解質的全固態電池系統有望角逐新一代電池。據估計，該類電池所能提供的電量大、能源密度高、性能穩定、安全性能也有所提高。硫化物基鋰離子導體的導電性高、電化學窗口及機械性能也不錯。為此，目前許多機構都在大力研發固態電解質。

4、美國萊斯大學

研究關鍵詞：石墨烯+碳納米管解決電池樹突問題

萊斯大學的研究人員們宣布了一種新型鋰基可充電電池原型，其容量可達到當前鋰離子電池的三倍。據了解，該技術有望解決掉目前嚴重影響電池壽命，甚至可以解決造成電池短路起火爆炸危險的樹突問題，所以，這項技術有望成為鋰金屬電池中的一項新進展。

關于鋰電池樹突問題：隨著使用時間的增加，充電電池內的電極會長出微小的樹枝狀細絲，稱為樹突或枝晶，這會造成短路報廢電池，甚至點著起火。許多金屬電池，包括鋰電池所面臨的這個樹突問題就目前而言無法得到徹底的解決。

萊斯大學的研究人員們想出的解決該問題的方案是：采用碳與石墨烯納米管組成的“獨特陽極”，運用該技術，以及包覆了一層碳的鋰金屬電池，能夠避免樹突在陽極上的大量蔓延。經過這樣處理的新型鋰基可充電電池原型每克可存儲 3351 mAh 的能量，相較于目前的技術來說確實是一個很大的進步

5、肯塔基大學與中國研究團隊

研究關鍵詞：非黏合性硅基氧化物/碳復合物及微型SiOx/C芯殼（core–shell）復合物緩解陽極材質膨脹。

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極材料。然而，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。

美國團隊的研究成果：非黏合性硅基氧化物/碳復合物

肯塔基大學研究團隊將硅基氧化物顆粒物與硫酸鹽木質素混合后，合成了一種高性能的非黏合性硅基氧化物/碳復合物，用于制作鋰離子電池的電極。經熱處理后，木質素形成一種導電體，可容納大量的硅基氧化物顆粒，確保電子導電率、連接性、適應鋰化/脫鋰反應期間的體積變動。該材質無需采用常規的粘合劑或導電劑。

該復合材質制作的電極的性能表現極為出色。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

中國研究團隊制備微型SiOx/C芯殼（core-shell）復合物。將檸檬酸與經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。

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，庫倫效率高達99.8%，充放電200次后，容量保持率在65.1%（843.5 mAh/g）。據該研究團隊透露，該復合物的放電效能極為出色，該方法可實現批量生產，具有成本效益，可大批量生產由SiOx/C復合物制作的高性能陽極材料。

6、美國德雷塞爾大學（Drexel University）與中國團隊

研究關鍵詞：MXene電極實現快速充電及更大電池容量

美國德雷塞爾大學（Drexel University）的材料科學與工程學專業的研究員們與法國、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秒。

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。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十毫秒。這主要得益于MXene材質的超高導電性，為未來研發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秒，且所儲存的電能要遠高于常規的超級電容器。”

MXene材質簡介

二維過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年被德雷塞爾大學材料科學與工程系的研究人員所發現，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。

7、慕尼黑工業大學

研究關鍵詞：磷酸鈷鋰陰極、微波合成法

慕尼黑工業大學研發了一項新工藝，用于生產高壓陰極材料磷酸鈷鋰，使其生產更為快捷、方便，且價格便宜、品質最優，進一步提升了電動車車載電池的性能。

TUM研究員Jennifer Ludwig博士研發了微波合成法：只需使用一個小型微波爐，再耗費0.5小時，就能生產出高純度的磷酸鈷鋰。首先，將溶劑放入聚四氟乙烯容器內，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℃，在該條件下可觸發結晶反應。

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、斯坦福同步加速器輻射光源及Walther-Mei?ner-Institut（WMI）共同開展該項研究合作。

8、德克薩斯大學奧斯汀分校科克雷爾工程學院

研究關鍵詞：納米金屬箔、納米級合金陽極高效儲能

德克薩斯大學奧斯汀分校科克雷爾工程學院的研究人員發現了新陽極材料族--納米金屬箔，使鋰電池陽極的充電電量翻一番，這意味著未來儲能系統將變得更高效。

新陽極材料組可節省大量的陽極制造時間及材料用量，只需簡單的兩步，就能實現鋰離子陽極的量產化。相較于當前鋰離子電池所采用的石墨及黃銅陽極，研究人員所創造箔材料的厚度與重量只有前者的四分之一。

Manthiram與他的團隊在研發新的陽極材料，該材料由共晶合金制成，采用機械軋制法，將其加工為納米結構的金屬箔。該研究的主要作者Kreder認識到，或可采用傳統的金屬合金工藝，將微米級合金陽極（micrometer-scale alloy anode）加工為納米材料。

9、于利希研究中心與美國橡樹嶺國家實驗室

研究關鍵詞：鐵-空氣電池更大的能量密度

鐵-空氣電池的能量密度要遠高于當前的鋰離子電池。此外，其主要構成物“鐵”的儲量十分富足，該材料的價格也很便宜。為此，于利希研究中心與美國橡樹嶺國家實驗室已成功觀測到電池運行期間鐵電極上的積聚物是如何形成的，其觀測精度可達納米級。

據估計，鐵-空氣電池能量密度的理論值在1200 Wh/kg，相較之下，當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到11400 Wh/kg，但其技術難度極大、復雜性較高。然而，如果按體積能量密度來比對，鐵-空氣電池的表現則更好：9700 Wh/l，幾乎是當前鋰離子電池（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。對于眾多移動設備而言，鐵-空氣電池的吸引力依然很大，因為體積（空間）要求也成為了移動應用的一項重要參數指標。

然而，距該產品的市場成熟尚有一段時間。研究人員在實驗室內進行了數千次的充放電試驗，盡管鐵質孤島電極在運行時并未出現較大的能量損失，但鐵-空氣電池在采用空氣電極作為電池的另一極后，充放電次數卻只維持在20-30次。

10、上海復旦大學能源材料化學協同創新中心

研究關鍵詞：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同創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。“非石墨烯化”或“硬”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，可展現其快速的嵌鋰能力。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。

現已證實，預鋰化硬碳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陰極，可用于鋰化及常規電池操作。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。據研究人員解釋，該款電池保留了常規鋰離子電池的高能量密度，同時還展現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。

但該款產品存在一個瑕疵，在極寒條件下，其電解質將喪失導電性。若能解決該問題，該電池系統或許能提供具有吸引力的產品設計，實現其最佳性能，提升電動車電池的抗寒能力。

11、滑鐵盧大學

研究關鍵詞：鋰金屬電極讓使電動車續航里程數翻三倍

滑鐵盧大學的新研究或將使電池研發取得突破性進步，使電動車續航里程數翻三倍。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航里程數從200公里飆升至600公里。在創建該項技術時，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，發揮了鋰金屬電極的優點，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航里程數。

12、美國橡樹嶺國家實驗室

研究關鍵詞：電極裂縫可在汽車事故中避免電池故障風險

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，這類材料通常可防止電動車出現機械損壞，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模將擴大。然而，目前還需要做更多的測試。

全文到此結束，希望能給奮斗在電池技術研究汪洋大海中的你一點點啟發。

參考來源：李文龍 蓋世汽車

編輯：粉體