电位也穿越 中国研发新型锂电池充电10秒可跑400公里

(2013-03-14 17:02:36)

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新一期《自然》杂志子刊《科学报道》刊发了复旦大学教授吴宇平课题组的一项重磅研究成果。这项关于水溶液锂电池体系的最新研究，可将锂电池性能提高80%。电动汽车只需充电10秒即可行驶400公里，这种电池成本低廉，安全不易爆炸。

2013年3月13日，吴宇平课题组展示了这种锂电池体系。一片薄薄的金属锂，被特制的复合膜紧密包裹，将其置于pH值呈中性的水溶液中，与锂离子电池中传统的正极材料尖晶石锰酸锂组装，即可制成平均充电电压为4.2V、放电电压为4.0V的新型水锂电，这一成果大大突破了水溶液的理论分解电压1.23V。

据透露，目前普遍采用的是有机电解质动力锂离子电池。在大型的储能系统中，传统锂电池成本高，对生产条件要求高，并且由于有机电解质的物理化学性质，存在较大安全隐患。这也是目前电能汽车这样的新能源产品得不到大规模推广的主要阻碍。

吴宇平介绍，由于锂金属的化学特性非常活泼，此前科学家将其作为负极材料，通过锂的氧化还原反应进行充电放电。目前常用的锂电池中一般使用非水的有机电解质溶液作为介质，让电化学反应过程中电子可以穿梭往来。

然而，传统方法制造的锂电池生产成本较高，且其中有机电解质溶液存在一定安全隐患。近年来全球科学家都在探索，锂电池中的介质溶液能否用离子导电率更高的水来代替？难题挡在所有人面前――锂电池依靠锂离子通过介质溶液，在正负电极间的迁移而产生电流，但由于低电位的锂离子会和水溶液发生的电化学反应，结果析出氢，生成氢氧化锂，使电池自身产生损耗，无法进行可逆充电。

复旦研究人员独辟蹊径，用高分子材料和无机材料制成复合膜，包裹在金属锂外。这层复合膜帮助锂离子的电位在正负极之间 “时空穿越”――在它的作用下，质子和水分子无法在低电位下得到电子，就不会在锂离子迁移过程中产生损耗。吴教授打趣说：“你可以把它看成一道‘任意门’，锂离子的电位经过膜，一下就到了负极，然后又直接从负极回到正极，就好像科幻片中，人跨过虫洞可以直接在地球和外太空之间往返。”正因此，课题小组把这一新发现称作“电位穿越”。

据介绍，包裹复合膜的新型水锂电，可以大幅降低电池的成本，提高其能量密度，使充电时间更短，储存电量更多，更耐久、更稳定。

据实验测算，这一技术制造的新型锂电池，能量效率高达95%，它的能量密度――即同样大小、质量的情况下单位储存电能，比目前普遍采用有机电解质的锂离子电池高出80%。研究人员介绍，预计装备这一新型水锂电的电动汽车，满电状态下行驶距离可达400公里，而充电时间仅10秒钟左右；如应用于笔记本电脑、手机，待机时间可增加一倍以上。对环境构成的污染也比现有锂电池小得多。

吴宇平说，美国能源研究所已“瞄”上这项研究，希望与他达成合作意向。但他更希望能与国内有前瞻性的企业合作。他表示，“新型水锂电在生活中可具体应用到各方各面，希望水锂电的突破能够最终使消费者对安全放心、对成本接受，解决目前全球踌躇不前的电动汽车产业。”

韩科学家开发新型锂电池：充电速度提升120倍

韩国蔚山科技大学的一个科研小组开发出一种充电速度比传统锂电池快30到120倍的新型锂电池。这个小组相信，可用它为电动汽车制造一个电池组，这样给汽车充满电需要不到一分钟。

充电电池的一个主要问题是电池越大，充电时间越长。给一个电池充电时，总是从外向内充电，所以电池越大，充电时间就越久。通过将大电池分成很小的数个电池，或许就可以解决这个问题。

韩国科学家使用阴极材料――标准的锂锰氧化物（LMO），把它浸泡在一种含有石墨的溶液中。然后，将经石墨浸泡的锂锰氧化物进行碳化处理，石墨就会变成一个穿越阴极的导电网。这个新阴极接着被电解质和石墨阳极包起来，就制成了快速充电的锂电池。电池的能量密度和循环寿命等因素似乎都没有变化。

这些碳化的石墨网十分有效，像血管一样运作，使电池的每个部分都能同时充电，致使充电速度快了30到120倍。无论从哪点来看，这都是一种标准的锂电池，可用于智能手机和电脑产品。但这些导电网增加了电池的总尺寸，所以或许更适合用在电动汽车上。毫无疑问，一辆充电时间不到一分钟的电动汽车是相当棒的。能快速充电非常方便，却不能回避锂电池组非常昂贵的事实。韩国碳化锂锰氧化物电池确实不便宜。

你可以把快速充电电池看作智能手机和笔记本用户的不错选择。当然，你可能拥有普通电池和快速充电电池，无论哪一种都会使你的日常生活变得更有意义。快速充电电池在无线鼠标、键盘和其他小装置的使用中可能更方便。

日本全固体钠蓄电池在室温下成功工作

日本大阪府立大学和日本科学技术振兴机构联合发表新闻公报说，大阪府立大学的研究人员开发出一种利用钠离子导电性的无机固体电解质，并证实用这种电解质制成的全固体钠蓄电池能在室温下正常工作。

公报说，作为纯电动车的驱动电源和太阳能发电、风力发电的存储设备，高性能蓄电池的开发迫在眉睫。利用钠离子实现反复充电、放电的蓄电池，由于钠资源储量丰富和容易实现低成本生产，被部分专家视为替代锂离子电池的下一代蓄电池。

目前，利用钠离子导电性的钠硫电池等大型电力存储用蓄电池，已进入实用化阶段，但这种电池工作时需加热到250摄氏度以上，以使其正极的硫和负极的钠处于熔融状态，保持电池内部的低电阻。而使用无机固体电解质且正负极全部使用固体材料的电池不仅更安全，而且兼具单位体积存储能量多和使用寿命长等优点。

大阪府立大学的研究人员通过使玻璃结晶的方法，发现一种固体电解质，这种电解质能析出此前未曾报告过的立方晶系硫代磷酸钠。研究人员证实，这种固体电解质在25摄氏度的室温下具有高导电率。把这种电解质微粒在室温下粉碎成形并制成的全固体钠蓄电池，可在室温下反复充电、放电。

公报说，提高全固体电池的性能还需进一步增大电解质的导电率以及在电极和电解质之间构筑良好的固体界面，研究人员今后将致力于解决这些课题，以期研制出实用的新一代蓄电池。