2017年度总结：全球各院校电池技术的研发动态

8, 上海复旦大学能源材料化学协同创新中心

关键词：富锂阴极、非石墨烯化、硬碳、预锂化硬碳

上海复旦大学能源材料化学协同创新中心的研究人员采用了耐寒型硬碳阳极及功能强大的富锂阴极(lithium-rich cathode)。“非石墨烯化(Non-graphitizable)”或“硬(hard)”碳是电池内的一款低成本电极材料，且颇具市场前景。即使在低温下，可展现其快速的嵌锂能力(intercalation kinetics of lithium ions)。在电池充放电期间，锂离子可通过电解质从阳极移动至阴极，反之亦然。

现已证实，预锂化硬碳(Prelithiated hard carbon)是一款功能强大的锂离子电容器材料。然而，预锂化工艺很复杂，也很费钱，其涉及到纯锂电极。

研究人员引入了一款富锂钒磷酸钒(lithium-rich vanadium phosphate)阴极，可用于锂化及常规电池操作。在首次充电过程中，锂离子会嵌入并存储。然后，研究人员结合利用了锂离子减少的磷酸钒阴极与预锂化硬碳阳极(LixC)，从而形成锂离子电池工作系统。据研究人员解释，该款电池保留了常规锂离子电池的高能量密度，同时还展现了类似超级电容的的高电量及长使用寿命。

此外，在零下40摄氏度下，其电量保有量占到总量的2/3。相较之下，常规锂电池的电量保有量只有10%。这主要得益于磷酸钒阴极的天然特性及预锂化硬碳阳极的快速反应动力学。目前，研究人员还在进行进一步测试，从而提升该款电化学电池的其他参数。

但该款产品存在一个瑕疵，在极寒条件下，其电解质将丧失导电性。若能解决该问题，该电池系统或许能提供具有吸引力的产品设计，实现其最佳性能，提升电动车电池的抗寒能力。

9, 滑铁卢大学

关键词：锂金属、磷、硫、电解液

滑铁卢大学的新研究或将使电池研发取得突破性进步，使电动车续航里程数翻三倍。该项技术突破包括：采用锂金属制作的负极，该材料或将大幅提升电池的储能。

储能或能量密度的提升或将使电动车的续航里程数从200公里飙升至600公里。在创建该项技术时，Pang及其同事们不得不克服两项技术难题。

研究人员向电池的电解液内加入了磷及硫等化学物质，同时克服了上述两项难题。该化学物将同电池内的锂金属电极发生反应，研究人员还为该电池电极涂覆了极薄的保护层。

该方法提升了电池性能，发挥了锂金属电极的优点，提升了电池的储能容量，在不牺牲安全性或降低电池使用寿命的前提下，大幅提升了电池的续航里程数。

10, 美国橡树岭国家实验室

关键词：电极裂缝

美国橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员提出了新的锂离子电池设计理念，其电机内部存在裂缝，可在汽车事故中避免电池故障风险。

该设计理念或将允许电池制造商按比例缩小外壳材料，这类材料通常可防止电动车出现机械损坏，提升整体能量密度及成本。该团队对样品进行了压力测试，利用大金属球按压标准锂离子电池。在按压该款电池后，其外形酷似番茄，但其电池容量依旧能达到初始值的93%。若换作标准电池，同等伤害会导致电池充分放电并出现故障。

对于该款重新设计的电池而言，电极的裂缝制作只会增加少量制造成本，并不要求对该款电池进行大幅改动，该团队认为未来该技术的应用规模将扩大。然而，目前还需要做更多的测试。

11, 加州大学河滨分校(URC)伯恩斯工程学院

关键词：硅硫燃料电池架构、硅硫燃料电池

据外媒报道，加州大学河滨分校(University of California， Riverside，URC)伯恩斯工程学院(Bourns College of Engineering)的研究人员研发了新技术，利用硫电极及硅电极制造了高性能的锂离子电池。

该款硅硫燃料电池(SSFC)架构逐步将受控纯锂离子整合到电池系统中，在C/10条件下，充放电250次后，其能量密度仍高达350 Wh/kg。

研究人员采用了纳米硅结构、导电剂(conductive additives)及粘合剂(binders)等方法，最终解决了上述问题，为燃料电池制备了硫阴极及硅阳极。

目前，研究人员利用硫化锂(lithium sulfide)或硅化锂等预锂化(pre-lithiated)材料，使燃料电池的能量密度高达600Wh/kg。然而，这类燃料电池的充放电次数通常很短，一般不足50次，且该类材料还需要采用专用设备，在加工时也存在诸多限制条件。

为创建新架构的SSFC，该团队在传统燃料电池架构的技术上新增了一片锂箔(lithium foil)，使锂箔能与集电器(current collector)发生接触，在充放电时将锂箔整合到燃料电池体系中，从而控制锂离子的嵌入量。

在半电池(half cells)中，将采用纯锂作为阳极材料，这将引起用户对枝状晶体生长(树突形成，dendrite formation)及锂腐蚀等安全性问题的担忧。在全电池(full-cell)模式下，可用硅来制作阳极，可缓解因纯锂阳极所引发的安全问题，同时确保燃料电池获得所需的高电量。

该方法使得受控的锂载荷可弥补固体电解质界面膜(SEI)形成及锂降解，提升燃料电池的循环寿命(cycle life)。此外，该电池还采用了交流阻抗(EIS)、循环伏安法(CV)及恒电流间歇滴定法(GITT)等多种方法。该研究将为未来的硅硫燃料电池的研发奠定基础。

12, 亚利桑那州立大学(ASU)

关键词：陶瓷、锂离子电池

亚利桑那州立大学(ASU)的专家Chan提出用陶瓷来替代易燃的电解液，大部分安全问题都是由于短路引起的，电解液易着火，并引起气体散发及材料降解等连锁反应。

最重要的安全措施在于：避免锂离子相关电子设备的过充或过热。若将电池暴露在高温环境下，将导致电池寿命缩短。团队正在探索将具有锂离子导电性的陶瓷纳米材料与聚合物相融合，旨在获得理想的固态电解质，并确保其良好的机械性能、较高的锂离子导电性及提升其安全性能。

13, 美国化学学会期刊(ACS journal)《纳米快报》

关键词：空腔二氧化硅微球结构、非均质结构、复合微型笼式结构

美国化学学会期刊(ACS journal)《纳米快报》发表了一篇论文，研究人员采用空腔二氧化硅微球(hollow silica microspheres)结构，用于容纳锂离子，其碳纳米管内心可抑制枝晶生长(dendrite growth)。由于枝晶生长被抑制，在进行200多次充放电后，其电极仍能保持高速镀/汽提效率高达99%。

最近，业内提议采用电解液添加剂(electrolyte additives)、稳定的界面层(stable interfacial layers)及修饰电极(modified electrodes)等多种方式，旨在解决锂金属阳极的关键性问题。现已证实，利用架构调整锂枝晶积聚是最高效的方式。

尽管非均质结构(heterogeneous structure)在调节沉积行为(deposition behavior)中发挥着重要作用，但锂金属的精细管控机制受限于电泳条件(deposition conditions)，如：沉积性能(deposition capacity)及电流密度(current density)。因此，若沉积性能过高，需要改进该款非均质结构，需要引导，使其均匀沉淀法。

该团队设计了复合微型笼式结构(composite microcage)，搭配碳纳米管内芯(carbon nanotube core)及多孔硅护层(porous silica sheath)。复合微型笼式结构可容纳锂金属，其非均质结构可被用作锂离子捕获器(trapper)。

在实验过程中，研究团队发现能高效地截留锂金属，其电化学性能(electrochemical performance)极佳。 

总结：

本文收录的大部分研究机构及院校均从新材料方面着手，期望采用新材料及工艺，提升电池的电容量，从而提升电动车的续航里程数。也有部分研究机构从电池结构方面入手，提升电池的电化学性能。

目前业内许多公司，纷纷从阳极、阴极材料入手，一方面期望提升锂离子的流动率，另一方面考虑更换稀土金属，采用价格相对低廉的常规材料，降低电动车车载电池的成本，促进电动车的推广。

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