「鋰電池之父」94歲高齡再獲重大突破，全球電動車產業...

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　　麻省理工科技評論

　　「鋰電池之父」94歲高齡再獲重大突破，全球電動車產業時間表或將大幅調整

　　2017-03-05 06:26 1

　　近年來，電動車的購買量一直在上升，去年僅美國市場的年同比增長率達到 37％；而在中國，2016 年新能源汽車總產量達到 518,582 輛，同比增長38.8%，純電動佔比81.9%，插電式混合動力佔比18.1%。

　　有預計指出，截至 2022 年，電動車的使用率將大幅提升，屆時電動車的預計成本將與內燃機機動車持平。然而，這些估計基於的假定是，現有的鋰離子電池仍然將是電動車的主要電力來源。

　　

　　以特斯拉為代表的電動汽車已經進入人們的生活，但這一速度是否能夠加快其中一個關鍵因素就在於電池技術的發展。

　　德州大學奧斯汀分校科克雷爾工學院（Cockrell Engineering School）94歲高齡的約翰·古迪納夫（John Goodenough）教授是鋰離子電池共同發明者。現如今，他又帶領工程師團隊打造了一個新型全固態電池，這意味著對電池驅動汽車的預測將有可能得到大幅調整。

　　這位電池領域的泰斗級人士表示，「我認為，我們現在有可能做到20年來一直想做的事情——就是為了得到一台在成本和便利性上與內燃機具備競爭力的電動汽車。「

　　如果取得成功，這一新發明的重要性不言而喻——我們的手持移動設備，電動汽車與固定儲能系統將能夠用上更安全、充電更快、更為持久的可充電電池。但問題是，近幾年號稱在電池上取得突破性進展的機構、科學家和廠商不在少數。但我們究竟應該相信誰？

　　

　　MIT教授、電池領域頂尖專家Donald Sadoway

　　對此，麻省理工學院材料科學和工程學教授、電池領域的著名專家 Donald Sadoway 表示，「當約翰·古迪納夫發表了什麼，會引起我的關注。他是非常棒的科學家，也是該領域內的頂級專家。他的聲音值得傾聽。」

　　換而言之，誰又會比鋰電池技術聯合發明人約翰·古迪納夫更有資格來取得電池技術新的突破？

　　

　　約翰·古迪納夫（John Goodenough）

　　回到技術本身，古迪納夫教授的這項突破是一款新型的低成本的全固態電池。這款電池所具有相當多的優點：不易燃燒、體積能量密度高、循環壽命長、充放電速度快等。該研究由科克雷爾工程學院高級研究員瑪利亞·海倫娜·布拉加（Maria Helena Braga）與古迪納夫教授共同完成。

　　這一里程碑式的研究於近日發表在《能源與環境科學》（Energy & Envrionmental Science）上。

　　

　　鋰-硫固態電池示意圖

　　研究人員的實驗表明，他們開發出的新電池的能量密度至少是當下鋰離子電池的三倍。從文章中的數據來看，這款電池的完全放電的能量密度為10.5Wh/g，而在可循環電壓範圍內，能量密度為8.5Wh/g。當應用於新能源汽車時，更高的能量密度意味著，一輛電動汽車一次充電后的活動半徑將被大幅提高。

　　此外，全固態電池的固有特性還增加了電池的充放電次數（更耐用）。同時，新電池的充電速率也得以大幅提升（只需要數分鐘，而不是以往的數小時）。

　　

　　金屬鋰形成枝晶，造成電池短路的3維示意圖

　　古迪納夫教授指出：「成本、安全性、能量密度、充放電速率和循環壽命等因素決定了電動汽車能否被社會所廣泛接受。我們相信，這一發現解決了當前電池中許多固有的難題。」

　　當今的鋰離子電池多使用液態電解質，從而實現鋰離子在陽極和陰極之間的輸送。但是如果電池單元充電的速度過快，它會導致鋰離子析出，形成橫跨液體電解質的枝晶，或者所謂的「金屬晶須」，從而引起電池短路，並有可能引起爆炸或者火災。類似的情況也會發生在其他鹼金屬，如鈉，鉀中。

　　因此，儘管理論上鹼金屬陽極能夠實現最高的電池能量密度，並且提高循環壽命，但是目前來看，安全性仍然是制約電池使用鹼金屬陽極的主要因素。

　　

　　當前的鋰離子電池，陽極材料多為嵌入的鋰化合物，如鈷酸鋰，磷酸鐵鋰，錳尖晶石等，它們會與液態電解質反應，生成一層厚約20nm左右，能通導鋰離子，但是不通導電子的固態-電解質界面膜（Solid-electrolyte interphase），這一層界面膜能阻止鋰與電解質溶液的進一步接觸，故而能提升電池的安全性與穩定性。但是另一方面，這一層界面膜會消耗陽極與電解質，因而會降低電池的效率。

　　在論文中，研究者們使用了非晶電解質取代了常規電池中所使用的液體電解質。與常規電池中的液體電解質相似，這種固態電解質也能很好的通導鋰離子與鈉離子。不僅如此，由於這種固體電解質其導帶（conduction band）的能量要高於鋰的費米能級，因而不會形成在常規電池中出現的固態-電解質界面膜，從而提升了電池的效率。

　　另一方面，與鹼金屬陽極接觸的固態電解質能夠有效地避免陽極生成枝晶結構，因而能夠完全消除鋰離子電池中的安全隱患。

　　研究人員還發現，這種電池能在保持很低的電池內阻情況下，能實現多達1200餘次的充放電。下圖給出了電池長達1000多小時的充放電測試曲線。從這個電壓-時間曲線中，可以看出這款新型鋰-硫電池在很長的循環壽命中，仍然能夠保持非常穩定的放電電壓。

　　

　　鋰-硫固態電池充放電實驗，電池電壓與時間示意圖

　　在對於工作環境溫度的適應性上，全固態電池有著巨大的優勢。由於固體非晶電解質在低至零下20攝氏度的環境中仍然具有很高的導電性，因此可以確保電動汽車在零度以下的天氣中仍然能正常工作。在耐高溫方面，新電池還是世界上第一款能夠在60攝氏度下工作的全固態電池組。

　　

　　布拉加與古迪納夫教授先前研發出的非晶固態電解質

　　除了上述特點外，這項工藝還有一個優點——電池可以用更加環保的材料製成。布拉加表示，非晶電解質可以用低成本的鈉來代替鋰，而鈉可以輕易地從海水中獲取。

　　古迪納夫教授和布拉加現在正在繼續推進他們的電池研究，並且正準備申請專利。他們在近期計劃與電池製造商合作，開發和測試為電動汽車和能源存儲裝置提供的新型電池。

　　對此，古迪納夫表示，「下一步是要證明負極問題已經得到了解決。解決負極問題意味著，我們將能著手大容量電池的研發。目前，我們做的電池和一個夾心蛋糕卷差不過大小，但它完全能正常工作。我對達成最終目標充滿信心。最終產品的開發會與電池生產商合作完成，我才不想做產品研發，也不想做生意，畢竟我已經94歲了，要那些錢也沒什麼用。」

　　參考文獻：

　　1. M. Braga, et al. Energy Environ. Sci., 2017, 10, 331—336

　　2. K. Harry, et al. Nat. Mater., 2014, 13, 69-73

　　3. M. Braga, et al. Energy Environ. Sci., 2016,9, 948-954

　　4.http://spectrum.ieee.org/energywise/energy/renewables/does-new-glass-battery-accelerate-the-end-of-oil