锂电池：未来发展的基础

在对放电过程的管理操作和极限性的理解上仍有挑战，但基础研究仍是锂离子电池创新技术进一步发展的关键。

电池以化学能形式储存电量。便携式电子设备、 电气化的运输和网格规模的应用程式都需要无害、 安全的，具有能量密度高、 循环寿命长，包含低成本材料的电池。

可充电的锂离子电池在1990 年代的早期的商业化，被视为自 18 世纪末Alessandro Volta的电池技术发明以来最重要的复兴里程碑。

尽管锂离子电池在近几十年来取得了一些显著成就，但是锂电池发展的速度仍然是相当迟缓的︰ 在过去的 25 年商用锂离子电池的能量密度相当线性的增加了数字4的影响因子。目前先进的商用锂离子电池具有少于 300 Wh kg⁻¹ 能量密度 ，这低于 400 Wh kg⁻¹美国能源部的2017年目标。而未来的几年锂离子电池将持续扮演关键角色，已达成的共识是，现在锂离子电池将不能够满足未来长期的发展需要，对新的电池技术的发展需求是极为迫切的。

使用新的化学物质的电池，以实现更高的能量密度和循环寿命长，通常被称为POST锂离子电池。然而，其发展仍然存在巨大挑战，在电极、 电解质和其界面的电池过程等许多方面仍然缺乏认识。获取足够的基础知识势在必行，以实现POST锂离子电池的全部潜力。在这个问题上，我们提出四个POST锂离子例子 — — 锂-空气、 锂-硫、 金属锂和固态电池 — — 以着重说明取得的理解和仍然需要解决的问题。

Photo source：Nature Energy

锂-空气电池使用氧气，作为正极活性物质，其可以从空气中得到︰ 在放电时气态氧分子获得电子，形成了放电效应而电荷逆向反应也同时发生。这一过程可能听起来很简单;实际上反应的减少的氧素物质可以诱发电解质和正电极的寄生性反应，会造成电池可逆性问题。在Peter Bruc和其同事的综述中调查了氧化还原机制在氧电极和电解质溶液对其依赖的最新进展。他们还讨论了目前面临的挑战和可能的解决方案，以在电池操作过程中保持稳定的电极和电解质。

另一方面，锂-硫，也有其自身固有的问题。硫还原得到的锂聚硫中间产物是可溶性的，其并因此可以穿梭于电极间，这可以造成明显容量损失而限制了电池寿命。Linda Nazar和他的同事综述了理解多硫化钠化学在锂-硫电池的最新进展，该文章侧重于使用各种化学相互作用将硫化物限制在主电极材料，以减轻他们穿梭的问题。他们还讨论了发展多功能的正电极材料，以实现高硫加载，以及多功能的电解质，以进一步管理多硫化钠溶出度的关键问题。

由于锂很高的比容量，纯锂金属将是锂离子电池理想的负极材料。不幸的是，纯锂与液体电解质的反应活性太高;在负电极锂粗糙的电沉积诱导的枝晶的形成也会造成安全隐患。这种挑战已困扰锂金属电池发展几十年，只是最近才在这一研究领域经历了文艺复兴时期。Lynden Archer 和同事以他们的角度分析了电沉积的金属锂电池的基本原理，并提出设计原则稳定电解质和锂-金属/电解液界面。这或许可提供未来发展的指导思想。

  Stages of dendrite growth on a planar Li metal anode，Source：Design principles for electrolytes and interfaces for stable lithium-metal batteries/nature energy

与此同时，固态电池 — 其中固体来替代含有具有快速离子电导性固含物的常规液体电解液— —这为建设更安全的锂离子电池提供有吸引力的替代方案。就像很多已发布锂离子技术一样，对作为一个可行的平台存在固态电池的前景同样存在乐观和悲观两种看法。Jürgen Janek 和他的同事讨论了诸多实现高性能的固态电池的关键问题，包括电池机械完整性和长期运行的关键问题。针对未来固态电池他们也提供他们的意见，关于是否可以达到高电压、 高功率密度及是否锂金属阳极可以带来很多需要的电池容量的增加。

上面列出的例子并不能全面概括POST锂电池的一些新的理解。也有其他很多的努力，但是在开发中的各种电池技术中，每个都有自身的优势和缺点。例如钠离子，得益于丰富的钠资源和与锂离子电池相近的电化学，不过由于钠的离子质量大会牺牲能量密度。基于多价离子，如镁和铝，电池中允许多价电荷传递，而不是像锂离子电池提供的单电子的运输。在这样做时他们产生了新问题，例如低离子电导率。氧化还原液流电池与传统的锂离子有完全不同的体系结构，因为能量储存在来自外部槽的两种可溶性还原组合的燃料流动。他们在网格规模存储，具有独特的优势却常常苦于响应速度慢、 低耐久性和能源效率偏低。当然，极大的挑战也存在将科学发现通过移动到商业上的成功，给电池发展带来完全不同的维度。

从这些例子我们希望获得基本层面的突破，以实现性能的向前跨越式发展 — — 否则锂电池发展仍将缓慢和只是增量的优化。这里着重列出的对电池过程的基本理解的进展对实现POST锂离子电池提供了真正的希望。

来源：NATURE ENERGY | VOL 1 | SEPTEMBER 2016 | www.nature.com/natureenergy

版权归作者与翊·化学所有，谢绝转载。

翊·化学专区与更多信息：www.chemkey.com.cn

联系翊·化学：rocky.yang@chemkey.com.cn