水和锌基电池与新型固态锂电池：安全、高能量密度、快充、长寿命的未来电池技术

水和锌基电池与新型固态锂电池：安全、高能量密度、快充、长寿命的未来电池技术

1. 水和锌基电池

安全、能量密度高、寿命长

马里兰大学

马里兰大学研究人员在新型水和锌基电池方面取得重大突破，未来可用于手机和电脑等消费产品。该技术由美国陆军研究实验室和国家标准与技术研究所发表在《自然资源》杂志上。

锌和水的结合在解决安全问题上尤其有效。研究人员表示，新电池不会像手机和笔记本电脑中常用的锂离子电池那样存在起火风险。在寿命方面也超越了锂电池，能量密度也并不逊色于锂电池。

比利时校际微电子中心研发出一种导电性能优异的固态纳米复合电解质，基于这种新电解质开发的电池能量密度达到每升200瓦时，充电速度为两小时。

2. 新型固态锂电池

充电快、安全、寿命长

比利时大学间微电子中心

比利时大学间微电子中心研发出一种固体纳米复合电解质，其电导率非常出色，可达每厘米10毫西门子，未来有望进一步提高。大学间微电子中心已利用这种新型电解质制造出电池原型，这款电池原型的能量密度达到每升200瓦时，充电速度为两小时。

为了进一步提高电池性能，校际微电子中心正在研究纳米颗粒电极和纳米复合电解质的组合，利用超薄涂层作为缓冲层来控制活性电极和电解质之间的相互作用。

这款固态电池兼容金属锂负极，目标是在0.5小时内充满电，达到每升1000瓦时，再加上使用寿命长、安全性能高，这种紧凑型电池在未来长续航电动汽车中的应用前景广阔。

3.镁固态电池

低成本、高能量密度

镁固态电池研发成功，电池原型的能量密度、材料成本均优于锂离子电池。

电池离子通过电解液在正负极之间流动，电池靠电化学反应供电。这个反应必须是可逆的，否则电池无法充电。然而，镁电池中的碳酸盐电解液在充放电循环过程中，容易在镁表面形成阻隔层，阻碍电池充电。虽然镁也可以通过高腐蚀性的液体电解液进行充放电，但如果使用腐蚀性电解液，镁电池将无法在高电压下工作，也存在安全隐患。

目前，研究人员已成功打造出镁固态电池原型。研究指出，受保护的镁阳极也可在碳酸盐电解质中充电，并能提供更多能量。此外，除了成功研发出可充电镁电池外，研究团队还为阳极与电解质不兼容的问题提供了解决方案，并解决了阴极对离子的限制。

4.循环寿命达10000次的镍锌电池

循环寿命长、安全环保

中国大连理工大学

大连理工大学能源与动力学院李明强副教授课题组在绿色动力电池方面取得重大突破，将镍锌电池循环寿命提高10倍。

镍锌电池作为一种老牌动力电池，具有诸多优势，尤其是安全环保，最适合驱动电动客车。但目前商用的镍锌电池普遍循环寿命较短，很少超过1000次，大大限制了其在电动汽车上的应用。

李明强课题组利用石墨烯上氧化锌原位切割技术，构筑了一种新型镍锌电池负极材料，应用于二次电池，电池循环寿命可达10000次，容量衰减率仅为0.0011%，最大放电容量达10 ...

目前，研究团队已成功基于该型电池组装电动自行车和5千瓦液流储能电池模块，并在相关企业开展试生产。

5. 循环次数超过700次的锂空气电池

比容量高、循环寿命长

美国

锂空气电池是一种非常有前景的高容量电池技术，利用锂金属与氧气的可逆反应，理论能量密度极限达到1000V/kg，远远超过目前锂电池的实际能量密度，因此受到学术界和工业界的热烈欢迎，被广泛视为未来电池领域的颠覆性技术。

但锂空气电池反应机理复杂，极化较大，效率较低，循环寿命较差，有人认为其并不是未来电池产业可靠的发展方向。

近日，美国科学家在锂空气电池研究方面取得突破，成功制作出可在类空气气氛中循环700次以上的电池，有效解决了此前许多体系只能与纯氧反应、循环寿命较差的问题，为该领域的科学研究取得了重大进展。

6、钛铌材料锂电池

能量密度高、充电速度快、损耗率低

日本东芝

东芝公司近日宣布，成功研发出新一代车用锂离子电池，预计2019年实现商用。该电池采用钛铌氧化物正极材料，较目前的三元和磷酸铁锂技术有颠覆性改进。新电池具有能量密度高、充电效率快等优势，仅需6分钟即可充电至90%，在日本JC08测试标准下可行驶320公里。而目前锂电池充电至80%平均需要30分钟。

同时，经过5000次充放电，电池依然可以保持90%以上的电池容量，损耗率极低。而且在零下10摄氏度的低温环境下可以实现快速充电，在零下30摄氏度的环境下依然可以正常使用。照此计算，如果每天充电一次，电池可以使用近14年。

7.可恢复电池容量

循环寿命长、环保

新加坡南洋理工大学

近日，新加坡南洋理工大学研究人员成功研发出一种新型电池技术，可以在10小时内让旧电池恢复到95%的容量，让电池“重获新生”。

这项新技术在每个锂离子电池中现有的两个电极之间增加了第三个电极，从而将残留的锂离子从一个电极排到另一个电极，去除影响电池性能的“杂质”。由于其天然属性的限制，锂电池使用时间越长，容量损失就会越明显。一般经过300-500次充放电循环后，就会损失15-20%的容量，而且这是无法逆转的。

此发明不仅能延长电池寿命，还有利于环境，苹果、三星、松下等行业巨头都对此发明非常感兴趣。

8、硫模板技术让锂电池“更薄”

体积小，容量大

中国天津大学

天津大学杨全红研究团队创新性地提出“硫模板法”，设计出高体积能量密度锂离子电池负极材料，并最终完成石墨烯对活性颗粒的“量身定制”包裹。借助该技术，未来锂离子电池有望进一步“瘦身”，变得更轻、更薄、更耐用。

纳米技术可以让电池“更轻”，但由于纳米材料密度较低，“更小”也成为储能领域科研人员面临的难题。利用碳纳米材料构建的碳笼结构被认为是解决锡、硅等非碳负极材料在锂嵌入时体积膨胀巨大问题的主要手段，而碳笼结构的精准定制则是实现新型高性能负极材料产业化的必由之路。

杨全宏团队基于石墨烯界面组装，发明了一种精准定制致密多孔碳笼的硫模板技术，利用石墨烯凝胶毛细管蒸发致密化策略，成功解决了碳材料“高密度与孔隙率不可兼得”的瓶颈问题，成功获得了高密度多孔碳材料。这种基于石墨烯组装的碳笼结构“量身定制”的设计理念，可拓展为下一代高能锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池等电极材料的普适性构筑策略，使储能电池有望实现“小尺寸”和“大容量”。

9. 减少锂金属电池中锂枝晶的形成

能量密度高、循环寿命长、安全

美国亚利桑那州立大学

锂金属电池是高密度储能技术最有前景的电池产品之一。美国亚利桑那州立大学的研究人员利用3D聚二甲基硅氧烷层或硅树脂层作为锂金属阳极的基材，以减缓锂枝晶的形成。此方法或可延长电池寿命，并消除锂离子电池和锂空气电池的安全风险。

研究包括：在电池阳极下方添加一层PDMS，可显著减少锂枝晶的生长，而锂枝晶的生长与锂金属内部累积的应力有直接关系，而褶皱状的PDMS基底将对缓解应力起到积极作用。此外，PDMS基底的多面三维结构可延长锂金属电池的使用寿命，同时保持其高能量密度。

10、锂硫电池电极新材料

容量高、重量轻

韩国科学技术院

近日，韩国科学技术院开发出一种新型锂硫电池电极材料，可在碳纤维之间捕获硫，类似毛细血管吸收水，这种锂硫电池具有重量轻、容量高的优势，有望实现商业化。

理论上，锂硫电池的能量密度比锂离子电池高出约6倍，但硫的电导率较低，且在充放电过程中体积发生变化，导致多硫化锂中间相熔化并作为电解液排出，这阻碍了锂硫电池的商业化。

为了克服现有碳材料的缺点，研究团队利用电喷雾法制备了大量的一维碳纤维，将固体硫磺粉末用泥浆润湿后干燥，从而开发出接触电阻大大降低的硫碳电极。

与现有的电极制造方法完全不同，用电极材料涂覆金属存储体显著改变了电极的结构，有助于拓宽未来锂离子电池的研究范围。该研究成果标志着高容量锂硫电池的研发又向前迈进了一步，未来有望应用于电动汽车和无人机。