中國粉體網(wǎng)訊 近年來,，電動車的購買量一直在上升，去年僅美國市場的年同比增長率達(dá)到37％,；而在中國,，2016 年新能源汽車總產(chǎn)量達(dá)到 518,582 輛，同比增長38.8%,，純電動占比81.9%,，插電式混合動力占比18.1%。
有預(yù)計指出,，截至 2022 年,，電動車的使用率將大幅提升，屆時電動車的預(yù)計成本將與內(nèi)燃機(jī)機(jī)動車持平,。然而,，這些估計基于的假定是，現(xiàn)有的鋰離子電池仍然將是電動車的主要電力來源,。
德州大學(xué)奧斯汀分�,？瓶死谞柟W(xué)院（Cockrell Engineering School）94歲高齡的約翰·古迪納夫（John Goodenough）教授是鋰離子電池共同發(fā)明者。現(xiàn)如今,，他又帶領(lǐng)工程師團(tuán)隊打造了一個新型全固態(tài)電池,，如果取得成功，這一新發(fā)明的重要性不言而喻——我們的手持移動設(shè)備,，電動汽車與固定儲能系統(tǒng)將能夠用上更安全,、充電更快、更為持久的可充電電池,。
回到技術(shù)本身,，古迪納夫教授的這項突破是一款新型的低成本的全固態(tài)電池,。這款電池所具有相當(dāng)多的優(yōu)點：不易燃燒,、體積能量密度高、循環(huán)壽命長,、充放電速度快等,。該研究由科克雷爾工程學(xué)院高級研究員瑪利亞·海倫娜·布拉加（Maria Helena Braga）與古迪納夫教授共同完成,。
這一里程碑式的研究于近日發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Envrionmental Science）上。
鋰-硫固態(tài)電池示意圖
研究人員的實驗表明,，他們開發(fā)出的新電池的能量密度至少是當(dāng)下鋰離子電池的三倍,。從文章中的數(shù)據(jù)來看，這款電池的完全放電的能量密度為10.5Wh/g,，而在可循環(huán)電壓范圍內(nèi),，能量密度為8.5Wh/g。當(dāng)應(yīng)用于新能源汽車時,，更高的能量密度意味著,，一輛電動汽車一次充電后的活動半徑將被大幅提高。
此外,，全固態(tài)電池的固有特性還增加了電池的充放電次數(shù)（更耐用）,。同時，新電池的充電速率也得以大幅提升（只需要數(shù)分鐘,，而不是以往的數(shù)小時）,。
金屬鋰形成枝晶，造成電池短路的3維示意圖
古迪納夫教授指出：“成本,、安全性,、能量密度、充放電速率和循環(huán)壽命等因素決定了電動汽車能否被社會所廣泛接受,。我們相信,，這一發(fā)現(xiàn)解決了當(dāng)前電池中許多固有的難題�,！�
當(dāng)今的鋰離子電池多使用液態(tài)電解質(zhì),，從而實現(xiàn)鋰離子在陽極和陰極之間的輸送。但是如果電池單元充電的速度過快,，它會導(dǎo)致鋰離子析出,，形成橫跨液體電解質(zhì)的枝晶，或者所謂的“金屬晶須”,，從而引起電池短路,，并有可能引起爆炸或者火災(zāi)。類似的情況也會發(fā)生在其他堿金屬,，如鈉,，鉀中。
因此,，盡管理論上堿金屬陽極能夠?qū)崿F(xiàn)最高的電池能量密度,，并且提高循環(huán)壽命，但是目前來看,，安全性仍然是制約電池使用堿金屬陽極的主要因素,。
當(dāng)前的鋰離子電池,，陽極材料多為嵌入的鋰化合物，如鈷酸鋰,，磷酸鐵鋰,，錳尖晶石等，它們會與液態(tài)電解質(zhì)反應(yīng),，生成一層厚約20nm左右,，能通導(dǎo)鋰離子，但是不通導(dǎo)電子的固態(tài)-電解質(zhì)界面膜（Solid-electrolyte interphase）,，這一層界面膜能阻止鋰與電解質(zhì)溶液的進(jìn)一步接觸,，故而能提升電池的安全性與穩(wěn)定性。但是另一方面,，這一層界面膜會消耗陽極與電解質(zhì),，因而會降低電池的效率。
在論文中,，研究者們使用了非晶電解質(zhì)取代了常規(guī)電池中所使用的液體電解質(zhì),。與常規(guī)電池中的液體電解質(zhì)相似，這種固態(tài)電解質(zhì)也能很好的通導(dǎo)鋰離子與鈉離子,。不僅如此,，由于這種固體電解質(zhì)其導(dǎo)帶（conduction band）的能量要高于鋰的費米能級，因而不會形成在常規(guī)電池中出現(xiàn)的固態(tài)-電解質(zhì)界面膜,，從而提升了電池的效率,。
另一方面，與堿金屬陽極接觸的固態(tài)電解質(zhì)能夠有效地避免陽極生成枝晶結(jié)構(gòu),，因而能夠完全消除鋰離子電池中的安全隱患,。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種電池能在保持很低的電池內(nèi)阻情況下,，能實現(xiàn)多達(dá)1200余次的充放電,。下圖給出了電池長達(dá)1000多小時的充放電測試曲線。從這個電壓-時間曲線中,，可以看出這款新型鋰-硫電池在很長的循環(huán)壽命中,，仍然能夠保持非常穩(wěn)定的放電電壓。
鋰-硫固態(tài)電池充放電實驗,，電池電壓與時間示意圖
在對于工作環(huán)境溫度的適應(yīng)性上,，全固態(tài)電池有著巨大的優(yōu)勢。由于固體非晶電解質(zhì)在低至零下20攝氏度的環(huán)境中仍然具有很高的導(dǎo)電性,，因此可以確保電動汽車在零度以下的天氣中仍然能正常工作,。在耐高溫方面，新電池還是世界上第一款能夠在60攝氏度下工作的全固態(tài)電池組。
布拉加與古迪納夫教授先前研發(fā)出的非晶固態(tài)電解質(zhì)
除了上述特點外,，這項工藝還有一個優(yōu)點——電池可以用更加環(huán)保的材料制成。布拉加表示,，非晶電解質(zhì)可以用低成本的鈉來代替鋰,，而鈉可以輕易地從海水中獲取。
古迪納夫教授和布拉加現(xiàn)在正在繼續(xù)推進(jìn)他們的電池研究,，并且正準(zhǔn)備申請專利,。他們在近期計劃與電池制造商合作，開發(fā)和測試為電動汽車和能源存儲裝置提供的新型電池,。
