锂金属电极瓶颈突破还需十年美国启动储能计划为其提供研究补助

2018-01-18 11:08:23 科技新报　点击量：评论 (0)

现今锂离子电池普遍以石墨取代锂金属做为电池阳极，但专家知道，如果能使用锂金属，一个锂电池的比能将提高 35%、能量密度提高 50%。不过

现今锂离子电池普遍以石墨取代锂金属做为电池阳极，但专家知道，如果能使用锂金属，一个锂电池的比能将提高 35%、能量密度提高 50%。不过看看锂金属电池目前的研究状况与未来挑战，美国能源部 ARPA-E 计划负责人 Paul Albertus 认为，这项技术想获得突破至少还要 10 年光景。

《gtm》报道，如果比能(specific energy)提高 35%、能量密度(energy density)提高 50% 后，相当于电池的重量能量密度达到约 350～400Wh / Kg，体积能量密度约 1,000 Wh / L。目前，锂离子电池组的比能为重量能量密度约 150Wh / Kg，体积能量密度 250Wh / L，而美国能源部对电动车的目标定在 235Wh / Kg、500Wh / L。

树枝状结晶(dendrite)为一种发生在锂电池阳极的严重问题，也是导致锂电池起火爆炸、寿命缩短的元凶，当电池不断循环充放电时，锂金属也不断重复生成、游离，过程中电极与电解质之间会形成固态电解质界面(Solid electrolyte interface，SEI)，如果 SEI 不稳定，就会导致锂不均匀分布在阳极上，并开始形成树枝般的结构，一旦树枝延伸碰到对面的阴极便形成短路。

为了避免枝晶形成，商业化锂电池阳极才舍弃金属改用石墨，虽然大大降低了树枝状结晶形成，但电池效率也大打折扣。如果有天锂金属可以正式在阳极站稳脚步，电池将能储存更多能量，并迎来一场历史性的重大革命：电动车充一次电可以驾驶更久、电网有了强而有力的储电后援军，以便部署更多风能和太阳能设施。

近年来，美国能源部 ARPA-E 项目启动了一项名为 IONICS 的储能计划，为锂金属电极领域的早期研究提供补助，具体使用过 ARPA-E 补助金的单位包括 24M、Ionic Materials、PolyPlus Battery Company、爱荷华州立大学等。

隶属于美国能源部的西北太平洋国家实验室(PNNL)，则于 2015 年首次找到一种称为六氟磷酸铯(CsPF6)的电解质添加剂，可帮助电池阳极(负极)形成保护膜以防止枝晶形成，提升电池性能，希望为电动车领域打开一条康庄大道。

不过 Albertus 认为，锂金属电极结合固体材料的电解质研究，更能使锂金属电池有朝一日成为锂离子电池继任者，因为最低成本可以降到每千瓦时仅 100 美元，且固态电解质的电池不易燃，操作也更安全。

这月初，中国科学家在美国化学学会的杂志上发布论文，他们以薄层不对称的固体电解质实现了无枝晶生成的锂金属电池，电解质面向阳极的一侧是刚性陶瓷材料，抑制锂阳极的枝晶生长;面向阴极的一侧则由软聚合物制成以达到低电阻界面目标，透过这种不对称固体电解质的设，研究人员希望可在固态电池中获得高能量密度。

对锂金属电极进行研究的企业、政府实验室数量不在话下，但比起其他技术，如将矽用于锂离子电池的阳极，锂金属电极想真正突破瓶颈可能还需要 10 年，但专家相信，一旦成功，电池产业的革命便指日可待。

原标题:专家：锂金属电极瓶颈突破尚需十年光景，但值得期待