《经济学人》：锁定锂离子，让电池续航更长时间

        【写在前面】

        无论是人们日常使用的手机、笔记本电脑等便携式设备，还是新能源电动汽车、智能电网等，都少不了锂电池的身影。

        然而，目前的锂电池技术远非完美，突出表现在，由于电力续航能力不足，不少消费者常抱怨“智能手机耗电快”或者“电动汽车跑不远”。制造出新一代更高能量密度的锂电池，成为目前各国专家争相攻克的“桥头堡”。

       近期，英国《经济学人》杂志就锂电池提升续航能力的前沿研究撰文，特别提到了斯坦福大学团队目前所进行的科技攻关。该项目得到了前诺贝奖得主、美国原能源部部长朱棣文的支持。

斯坦福大学博士崔屹。

        电子产品以惊人速度统治了现代生活，但产品的充电问题正减缓这一速度。从智能手机、笔记本电脑到特斯拉，以及从1991年起售的波音787飞机，锂离子电池应用在所有的电子设备中。它们的性能有所提升，关键在于如何抓住锂离子。

        《经济学人》的文章首先解释了锂电池的原理：与普通电池类似，锂离子电池包含了两个电极（阴极和阳极），并由电解液将其分开。在一个典型的锂离子手机中，阳极由石墨做成，阴极则由钴酸锂组成，电解质是锂盐和有机溶剂混合物。充电时，带正电的锂离子电解质驱动到带负电荷的正极，并在此累积。电池在使用时，电子又按原路返回到电池的负极中。

        锂电池的风险主要在于热量。充电放电过程中，锂电池还会产生热量，这部分热量大多数情况下会消散。但电池充电太久可以形成细长的锂树突，或结晶，这会导致在正极短路。短路的故障也会出现在其他材料制成的电池中。这就会引发“热失控”和偶尔的火灾。这就是波音787在2013年早期禁飞的原因，也是许多手提电脑和智能手机被召回的原因。

        除了上述风险，《经济学人》提到，对于许多科学家而言，最终目标是商业化生产本身能包含更多锂阳极的电池。锂金属正极拥有比其他材料更高的能量储蓄能力，因为锂是最密集的金属元素，并拥有最大的功率重量比。斯坦福大学博士崔屹估算，拥有锂阳极和硫阴极（硫同时具有很高的能量储存能力）的电池比目前的锂电池效能高5倍，重量更轻。

        最大的障碍是锂元素的高化学反应：它属于碱金属一类，含有钠和钾，是导致许多化学灾难发生的“明星”。将锂阳极装入电池、开始充电后，锂会迅速扩散，尽可能多的抢占离子聚集的空间（其他材料的正极材料扩散时，并没有像锂这样）。锂阳极也会转换成锂树突，形成类似苔状的东西。情况好的话，这些仅仅会减弱效率，运气差的话，就会引发火灾。

        《经济学人》表示，崔屹和他的团队，包括诺贝尔物理学奖得主、美国前能源部长朱棣文，相信他们能找到减少危险发生的方法。一种方法是将锂阳极做成比人类头发还细5000倍的“碳团簇”薄膜。这样的碳膜不会和锂反应或者电解质反应；同时，又拥有非常强大的效能和灵活性，使其能够随着锂扩张和收缩。锂离子可以进入阳极，但电池好像这层薄膜没有存在一样，这就可以防止它形成树突（比离子大成千上万倍）。

        最新的研究发现，可以使用最新的二维材料，换句话说，由一个原子层覆盖锂阳极。他们选择的材料是分层的二维六角氮化硼或石墨烯。但二维材料也存在一个缺陷，却是以一种好的方式：当它使用时，微小原子使表面形成裂缝，从而让锂离子能够通过，但却能拦截可怕的树突。

        这两种方法，连同斯坦福大学其他研究团队目前还不会公布，但已经进行了多年。当充电电池可商业化时，必须充电效率（电能存储的百分比在充电，放电时可恢复）超过99.9%，并有更长的充电和放电时间。今天，崔屹的“碳团簇”薄膜能达到99.6%的效率，而它的二维电池效率则在97%左右，使用周期长。但想要获得最后的几个百分点需要时间。对此，崔屹表示有信心，他称有希望能量产这类电池。

        那些嘲笑这些研究的应该仔细研究崔屹的记录。他已与安普瑞斯合作，开始创业。美国安普瑞斯（Amprius）公司是世界领先的先进储能材料的开拓者，也是新型锂电池材料和锂电池的开发和制造商。安普瑞斯的技术来源于美国斯坦福大学。

        崔屹主导的硅阳极电池工作已从几大风险投资公司处获得6000万美元资金，包括谷歌主席埃里克•施密特。

        （王心馨编译）