传说中的2016电池技术突破

全固态锂电池

韩国蔚山国立科技大学（UNIST）能源与化学工程学院Yoon Seok Jun教授与首尔国立大学 Seng M. Oh教授牵头的研发团队开发出一种全固态锂电池。

他们先将固体电解质熔化，然后将熔化的电解质涂抹在电极上。为解决粉末状固体电解质和电极活性材料之间的接触不活跃，使得锂离子更难以移动到电极的问题，他们开发出了一种可以增强固体电解质导电性的材料——甲醇液中添加碘化锂（LiI）。

新开发的固体电解质具有较高的离子导电性、无毒性，而且所采用电池原料和溶剂（甲醇）价格都比较便宜。相比于液态锂离子来讲，全固态锂电池在循环性、安全性、功率衰减、寿命以及能量密度上都有明显的优势，而且电压更高，电池模组和系统设计起来更简单。

目前困扰全固态电池实现产业化主要有两个问题：一是固态电解质在室温条件下的离子电导率不高；二是固态电解质与正负极之间界面阻抗比较大。

韩国推出的这款新型电池，在固态电解质离子导电率上取得突破，而且所用的材料都比较便宜，如果技术成熟的化，将加快固态锂电池投入商用化的进程。

铝—石墨双离子电池

中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员及其团队研发出铝—石墨双离子电池，据称是一种全新的高效、低成本储能电池。

这种新型电池，用石墨取代锂电池里的锂化合物，作为正极材料，用铝箔作为负极材料和负极集流体。电解液则由常规锂盐和碳酸酯类有机溶剂组成。

在充电过程中，正极石墨发生阴离子插层反应，而铝负极发生铝-锂合金化反应，放电过程则相反。这种新型反应机理，不仅可以显著提高电池的工作电压（3.8-4.6V），同时大幅降低电池的质量、体积及制造成本，从而全面提升全电池的能量密度（220 Wh/kg）。

该团队成员表示，500kg的铝-石墨电池的续航里程可达到约550公里。新型电池与传统锂电技术相比，铝-石墨电池可将生产成本降低约40%-50%，能量密度提高至少1.3-2.0倍。

无钴高电压电池材料

Nano one公司宣布成功研制无钴高电压锂电池正极材料——高电压尖晶石。该材料只含锂、锰、镍而不含钴元素，与已商业化的含钴电池材料相比，具有输出电压高，寿命长，安全性高，电池容量和放电功率大的特点，同时降低了体积、重量、成本、环保和供应链的风险压力。

新型复合金属锂电极材料

美国斯坦福大学著名材料学家崔屹与美国前能源部部长、诺贝尔物理奖得主朱棣文组成的研究团队，在金属锂电极的实际应用研发方面取得重大突破。

金属锂具有极高的理论比容量和理想的负极电位。以金属锂为负极的二次电池，具有高工作电压、高能量密度等优势，使得金属锂成为当今能源存储领域的首选材料。

然而金属锂与电解液的副反应，循环过程中的电极尺寸变化，以及锂枝晶的形成。前者很大程度上降低了电池的库伦效率，影响了其电化学性能；后两者则会给金属锂电池带来严重的安全隐患。

研究小组对材料表面特殊浸润性进行深入研究后，首次提出了“亲锂性”这一概念，并利用表面“亲锂化”处理的碳质主体材料，通过建立“亲锂”的界面材料体系，开创性地将金属锂融化之后，利用毛细作用吸入碳纤维网络的空隙中，成功制备出含有支撑框架的复合金属锂电极。

新研究的复合金属锂电极在碳酸盐电解液体系的循环过程中具有较小的尺寸变化、极高的比容量和良好的循环及倍率性能，其电压曲线也相对平滑，突破了当前制约金属锂电池商业化的主要问题。

复合金属锂电极由10%体积比的碳纤维和金属锂材料组成。碳纤维网络具有良好的导电性，超高的机械强度和电化学稳定性，因此，作为金属锂的主体框架材料是绝佳选择。

与之前的相关研究相比，梁正等人将金属锂融化，并依据不同材料的浸润性所提出的“亲锂”“疏锂”概念，为金属锂电极研究提供了新思路，并且对其他领域的研究具有极高的借鉴作用。

新型锂氧电池

由麻省理工学院（MIT）核科学与工程学院教授李巨领衔，与MIT、阿贡国家实验室、北京大学等另外几名成员研究团队研发出了新型锂氧电池。

传统锂空气电池在放电过程中，锂空气电池从外界吸收氧气，并与电池的锂产生化学反应。在充电过程中，则产生相反的化学反应，氧被重新释放到空气中。

而新型锂氧电池，在充放电过程中，锂元素与氧气进行同样的电化学反应，整个过程中根本不需要氧元素的气态变化。氧元素一直以固态形式存在，并可在三种氧化还原状态中直接切换，产生三种不同的固体化合物——氧化锂Li2O、过氧化锂Li2O2以及超氧化锂LiO2。

新型电池的奥秘在于创建一个极小的微粒，大约在纳米级别，成玻璃状的微粒可同时包含锂与氧，并紧紧被包围在氧化钴（cobalt oxide）的小矩阵里。

通常状态下，纳米锂氧非常不稳定，所以研究人员将它們放入了氧化钴的矩阵之中。氧化钴矩阵其实是一种类似海绵状的物质，每隔几纳米就有一个气孔。氧化钴矩阵一方面可以稳定住纳米锂氧，另一方面，还可以充当化学反应的催化剂。

锂空气电池的一大缺点是电池充电与放电时电压的不匹配。电池的输出电压比充电时的电压要低1.2 伏还要多，这意味着在每一次完整充电过程中，都会产生巨大的能量损失。充电时，约30%的电量以热量形式流失，如果充电速度过快，它都可以自燃。

锂氧电池电压损耗情况可以改善5倍以上，从1.2伏减为0.24伏，所以，仅有8%的电能被转换成了热量。这意味着汽车可以快速充电，因此电池组发烫的情况会解决，不再构成安全隐患，而且电池的能源效率得到了保障。

锂空气电池其实是锂干氧电池，因为它完全不能处理潮湿以及二氧化碳。所以锂空气电池使用的输入型空气需要认真处理。新电池完全不需要吸入以及排除气体，这个困扰锂空气电池的问题迎刃而解。

此外，新型电池自身存在一种过度充电的保护机制，在过度充电情况下，化学反应可以实现自我约束。一旦过度充电情况发生，化学物质马上转变成另外一种形态，从而化学反应中止。在循环负荷试验中，新型电池的实验室版本完成了120遍充电—放电的循环测试，整个过程下来，仅有2%的能量损失，这意味着这种电池或将拥有超长寿命。

研究团队表示，新电池使用的作为液体电解质的碳酸盐是最便宜的一种。此外，氧化钴的重量还不到纳米锂氧重量的一半。整体而言，这种新型电池与锂空气电池相比，应用更为广泛、价格更为低廉、使用更为安全。

高性能石墨烯锂电池材料

中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所刘锦淮和黄行九课题组的副研究员刘金云等通过美国伊利诺伊大学香槟分校和中科院合肥研究院合作，研制了一种基于三维石墨烯的复合电池材料。

这种材料具有高的活性材料负载量、短的离子电子传输路径，而且电极材料组装成电池不需要使用任何粘结剂和导电剂等添加剂，电池具有高容量和优良的循环稳定性。

他们研制的三维石墨烯/五氧化二钒电池正极材料，在12分钟完全充/放电条件下，循环2000次后，电池容量大于200 mAh/g（大量文献报道小于1000次、容量普遍低于150 mAh/g）；而且1分钟充电的容量，达到商用和文献报道的大于5分钟的相近容量。

此外，该三维石墨烯复合电池材料结构设计还可以应用于锂离子电池负极材料，比如研制石墨烯/硅复合负极，展现出良好的通用性。作为锂离子电池的核心，电极活性材料普遍要求具有高容量和能量密度、长期循环稳定和安全性。

可导电海绵状MOF材料

美国麻省理工学院首次发现了具有导电性的金属-有机框架化合物MOF材料（metal-organic frameworks），具有极高的储能密度，有望能够成为新一代超级电容/电池技术的核心材料。

海绵状微观结构的新型MOF材料由于结构特性，具有极高的材料表面积，由此可以制备具极高储能密度的超級电容器，被证明可在一定条件下具有导电性。

传统采用碳纳米管材料（具有极好的中孔性能和导电性）制得的超级电容器，储能密度比较高，但制备条件非常严苛，且成本高昂。

这种海绵状的新型MOF材料制备的超级电容比碳纳米管超级电容气储能密度更高，假如成本能够有所降低的话，那么它或许会取代碳纳米管超级电容器的地位。