从镍镉电池到锂电池，电化学储能科学领域快速发展

从镍镉电池到锂电池，电化学储能科学领域快速发展

图片来自电影《股票疯狂》

话说最近股市又涨势汹汹，早在二十多年前，电影《股疯》就已经把股市的涨跌表现得惟妙惟肖，电影里潘虹手上拿着的“大砖头”就是上世纪八九十年代在国际上很有势力的“老大哥”，让人印象深刻。

不过这个“老大哥”虽然个头大、重量重，但它的电池却不太耐用，通常需要十几个小时才能充满电，通话时间也只有半个小时，这种电池是早期的电化学储能装置——镍镉电池。

图 1. 手机及其内部的镍镉电池板

从镍镉电池到锂电池，电化学储能科学领域发展迅速

1992年，电化学储能领域迎来革命性变革，全球第一块商业化成功的锂离子电池问世。它凭借储能容量大、重量轻、循环寿命高、无污染（不含重金属镉）等优势，迅速淘汰了镍镉、镍氢等电池技术，并一举占领了便携式电子设备供电市场。手机、电脑、MP3等各类移动3C产品也随之涌现于人们的日常生活中。其中最关键的技术突破之一，就是电池能量密度的提升。

锂离子电池本身就具有相当可观的能量密度，且随着科学家的不断探索，其能量密度还在逐年提升。

锂金属因具有较高的理论比容量，被认为是极具前景的下一代电池负极材料。例如，锂离子电池中的石墨负极就像一个“房子”，把锂离子一个个地储存起来，1克石墨材料可以储存约8×1021个锂离子。而锂金属负极则直接把锂离子转化成原子，原子之间堆叠在一起形成锂金属，1克锂金属负极可以堆叠约9×1022个锂原子，几乎是同等质量石墨容量的十倍。

因此，以锂金属负极构建的储能电池体系可以实现远高于锂离子电池的能量密度（图2）。围绕锂金属负极构建高能量密度锂电池成为近年来国际前沿科研热点。

图2 储能电池能量密度及在不同领域的应用

过于“活跃”的锂金属阳极

使用锂金属作为负极，是几十年前各大电池厂商的首选，为什么后来放弃了呢？因为安全风险太大。

在电化学沉积/循环过程中，锂金属会形成大量的尖刺形貌，即锂枝晶的生长。锂枝晶的生长不仅会导致电池性能的下降，而且一旦锂枝晶刺穿隔膜，电池就会发生短路，甚至起火爆炸（图3）。因此，要实现锂金属负极的使用，首先必须解决枝晶的问题，但这不是唯一的问题。

锂是一种非常活泼的金属，很容易与电池中的电解液发生反应，从而变成无用的“废物——死锂”，降低循环容量。金属锂在循环过程中会产生越来越多的“死锂”，导致电池寿命快速衰减，这些都是严重的问题（图3）。

图3 锂金属负极安全性及循环寿命问题说明

将石墨烯“防弹背心”穿在活性锂金属上

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所新型储能材料与器件团队开发出一种特殊的堆叠石墨烯材料来稳定活性锂金属。当这种堆叠石墨烯材料覆盖在锂金属负极表面时，其特殊的材料结构可以阻止锂金属沉积在电极表面而直接与电解液接触，同时又能让锂金属均匀有序地沉积在石墨烯覆盖层之下。

这种特殊的石墨烯“防弹衣”起到了“一举两得”的效果，既能改善锂金属的循环，阻止锂枝晶的形成，又能隔离锂金属与电解液的接触，避免“死锂”的产生（图4）。在这种石墨烯“防弹衣”的保护下，锂金属负极终于可以在电解液中“深呼吸”，循环寿命得到稳步提升。

图4 堆叠的石墨烯层为锂金属负极提供了“防弹背心”

虽然距离锂金属负极真正大规模应用还有一段路要走，但科技的进步是通过一点一滴科研成果的积累实现的。下一代高能量密度电池的研发还有许多问题需要解决，但试想一下，手握超长续航的手机，驾驶无尾气排放的纯电动汽车，沿途欣赏智慧城市的美景。这样的画面不仅令人着迷，也为科研人员研发下一代高能量密度电池提供了无限的动力。