改进电池的新方法

世界各地的研究人员都在竞相开发更高效、更密集、更安全的电池技术，他们的研究成果远远超出了以往的研究成果。

这在很大程度上是由对内燃机尾气的担忧驱动的，内燃机排放了全球很大一部分二氧化碳₂排放。如今，几乎所有汽车制造商都宣布了开发纯电动汽车的计划，有些还已经开始销售。但要与汽油动力汽车和卡车竞争，它们需要在许多领域进行重大改进。

图1:2020年美国能源消耗估计(92.9 Quads)及其来源来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室

在这些挑战中，电池需要用更便宜、更环保的材料提供更高的能量密度。如今,只有大约一半的锂离子在当前的电池设计中，阴极中包含的阴极可转移到阳极。在正极材料如LiCoO中₂，过充会导致机械塌陷。

作为一般规则，电池设计者寻求消除或最小化除离子源本身以外的所有组件。他们有几种方法来增加能量密度。它们可以减轻其他电池组件的重量，如电解质、隔板和外壳。他们可以使用含有更多锂的材料，比如锂₂S或金属锂。或者他们可以使用锂的替代品，如钠、镁或锌。

锂金属电极是锂可用性问题的明显解决方案。它们提供了非常高的容量-高达500 Wh/kg -并且不需要碳来改善离子传导。事实上，第一批锂离子电池使用了锂金属电极。不幸的是，这种设计很快就被放弃了，因为在液体电解质存在下锂枝晶生长会导致短路。然而最近，电池制造商一直在研究固态电解质的安全原因，因为它们不含易燃溶剂。由于固态电解质更重，设计师们希望使用锂金属电极来抵消它们施加的重量损失。因此，电池行业正在重新审视锂枝晶生长的问题。

当电池在充电和放电时弯曲时，液体电解质在电极颗粒周围流动。固体电解质则不然。我们有理由希望它们更加坚硬的结构能够阻碍枝晶的形成。因此，布朗大学的研究员Jung Hwi Cho和同事们研究了石榴石基锂镧锆氧化物(LLZO)电解质和锂金属电极之间的界面裂纹。在12月材料研究学会秋季会议上发表的研究中，他们发现短路故障显然是由于电解质中的晶界锂电镀造成的。电解液制造过程中的表面缺陷允许锂金属侵入，产生应力，允许裂纹扩展和进一步的锂侵入。

查尔姆斯理工大学的研究人员熊士钊和亚历山大·马蒂奇提出了一种可能的解决方案，在金属电极和大块电解质之间使用准固体电解质膏体。这种糊状物由锂铝锗磷酸(LAGP，商品名NASICON)粉末与离子液体混合而成，可以稳定界面化学，并提供一定程度的灵活性以适应机械应变。

另一种方法是由布朗大学和马里兰大学的吴奇生研究员及其同事提出的，他们使用了一种基于纤维素纤维的电解质，而不是通常使用的聚乙烯氧化物(PEO)。在PEO中，离子通过聚合物链的运动进行运输。相反，纤维电解质似乎允许离子在位点之间跳跃传输。这种跳跃传输有助于改善离子传导。

在Wu Xu报道的工作中，太平洋西北国家实验室的研究人员观察到，大多数固态电解质是通过将电解质溶解在合适的溶剂中，并使其渗透到电极结构中，然后蒸发溶剂而产生的。然而，从多孔结构中完全蒸发溶剂是困难的。他们认为残留溶剂可能是导致实验结果中看到的不一致的离子传导测量的原因。作为替代方法，他们使用干球磨工艺生产peo -锂盐混合物。两者的比例决定了电解质的性能，1:1的比例产生最佳的离子电导率。

锂以外的电池
其他新兴的电池概念依赖于锂以外的材料。例如，钠是地壳中含量第六多的元素。然而，雪城大学的研究人员弗朗切利·Gender指出，钠离子比锂离子更大，在锂基电池电极使用的石墨层之间不合适。硬碳化合物具有较大的间距，通常由生物质碳化产生。大多数现有的方法都需要化学活化和高碳化温度，但雪城大学的研究小组通过在水中清洗鳄梨皮，然后在900至1100℃之间碳化，生产出了合适的材料。

鳄梨是美国人最常食用的水果之一。由于牛油果的皮厚而不能食用，果核大，每个牛油果被浪费的比例高达30%。使用从牛油果废料中提取的硬碳电极的钠离子电池可能是现有锂技术的更可持续的替代品。

锂和钠都是单价的。每个离子只带一个电荷。像锌和镁这样的多价材料有可能在相同数量的离子下储存更多的电荷。然而，到目前为止，还没有找到合适的电解质。多价离子扩散缓慢，部分原因是静电斥力。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员Arumugam Manthiram发现，高能量屏障阻止了锌离子进入非水电解质。然而，在含水电解质中，从水分子中解放出来的自由电荷补偿质子(氢核)可以很容易地扩散到固态电极中，向电解质中释放等量的锌离子。

另一种多价金属——镁，在全球范围内储量丰富，而且比碱金属(如钠和锂)活性低。然而，与传统电解质的反应会钝化表面并阻止离子扩散。镁合金的反应性较低，但也大大降低了能量密度。相反，Clément Pechberty和蒙彼利埃大学的同事们使用了镓盖层来保护镁表面，同时保留了大块金属镁的存储容量。

结论
与许多会议一样，在材料研究学会会议上提出的结果是初步的概念验证结果。固态电解质和锂以外的金属仍然需要证明它们足够可靠和可制造，以取代现有的技术。尽管如此，作为一个整体来看，电池技术显然正引领着后石油运输的未来。

相关的
电池有活动部件
人们正在努力降低火灾风险，并提高电池中储存的能量的利用率。
让电池更密集、更安全
制造更好的电池需要的不仅仅是化学。
电池成为焦点
无论一个系统设计得多么高效，它只有在有足够的电池电量时才能工作。