解讀鋰電池的發(fā)展史，思考“未來電池”的創(chuàng)造

鋰離子技術(shù)已經(jīng)改變了我們的通訊方式和便攜式設(shè)備的供電方式，現(xiàn)在正推動(dòng)著全球交通和能源供應(yīng)的革命。德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的Arumugam Manthiram發(fā)表的一篇新論文考察了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)70年代的初步發(fā)現(xiàn)到今天研究“未來電池”的研究人員的考慮。

自從1976年科學(xué)家展示了第一款可充電鋰離子電池以來，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)證明了它在電子工業(yè)中改變世界的潛力。但即使在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用和固定儲(chǔ)能記錄大量增長，克服的技術(shù)問題和世界各地的科學(xué)家們正在努力將新材料和推動(dòng)電池的性能仍然基于概念說明了科學(xué)家?guī)缀醢雮€(gè)世紀(jì)前。

而回顧這些發(fā)展，對于了解未來的研究方向是很有價(jià)值的。Arumugam Manthiram在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校擔(dān)任教授已有20年，他也曾與諾貝爾獎(jiǎng)得主、科學(xué)家約翰·古德諾John Goodenough一起研究鋰離子技術(shù)。Manthiram在《自然通訊》上發(fā)表的一篇評論文章中，深入研究了鋰離子技術(shù)的歷史，并探討了影響當(dāng)前新電池概念研究的問題。

Manthiram說：“隨著我們大規(guī)模部署鋰離子電池，成本和可持續(xù)性變得至關(guān)重要。此外，為了跟上便攜式電子設(shè)備的發(fā)展，并提高電動(dòng)汽車的行駛范圍，人們希望將能量密度提高到現(xiàn)有水平之上?！?/p>

20世紀(jì)70年代，?？松梨?a target="_blank">公司的M. Stanley Whittingham首次演示了鋰金屬陽極和硫化鈦陰極的可充電電池，這為插入化學(xué)理解的最新進(jìn)展提供了概念證明。這種電池由于低電壓和能量密度，以及鋰金屬陽極上的枝晶生長而受阻——這是一個(gè)科學(xué)家們至今仍在努力解決的問題。

下一個(gè)Manthiram關(guān)注的是John Goodenough團(tuán)隊(duì)在20世紀(jì)80年代的工作，該團(tuán)隊(duì)獲得了2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這涉及到氧化物陰極的設(shè)計(jì)，它允許在電池中增加電壓。Goodenough的小組還將氧化陰極分為三類（層狀、尖晶石和聚陰離子），至今仍是唯一實(shí)用的陰極類型，并作為未來發(fā)展的基礎(chǔ)。

最后，Goodenough的小組在20世紀(jì)80年代的進(jìn)一步工作，由來訪研究員Koichi Mizushima領(lǐng)導(dǎo)，首次展示了一種具有碳陽極和鋰鈷氧化物陰極的鋰電池。它代表了該技術(shù)第一次克服了安全和能量密度問題，并作為一種準(zhǔn)備商業(yè)化的東西出現(xiàn)。

但隨著社會(huì)對電池的需求不斷增加，這些擔(dān)憂仍然是鋰離子技術(shù)研究的核心。

Manthiram表示：“我們需要通過增加陰極和陽極的電荷存儲(chǔ)容量，增加陰極的工作電壓來增加能量密度，或者理想情況下同時(shí)增加電荷存儲(chǔ)容量和工作電壓。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要開發(fā)新的或更好的電極材料和電解質(zhì)。新的合成和處理方法以及計(jì)算機(jī)建模可以幫助這些任務(wù)?！?/p>

Manthiram指出，在短期內(nèi)，他預(yù)計(jì)研究重點(diǎn)將放在含鎳較多、鈷較少或不含的層狀氧化物陰極上，并在石墨陽極中添加硅以增加能量密度。

在未來，會(huì)有大量的技術(shù)最終證明它們的價(jià)值。Manthiram說：“鋰離子電池將保持其在能源存儲(chǔ)方面的領(lǐng)先地位，特別是在運(yùn)輸部門的電氣化方面?！?/p>

據(jù)微鋰電小組分析，在未來鋰硫電池可以在降低成本的同時(shí)進(jìn)一步提高能量密度。鈉離子電池可以增強(qiáng)可持續(xù)性。最終，全固態(tài)電池可以進(jìn)一步提高能量密度，提高安全性。