近日，NatureEnergy發(fā)表題為“Batteryrevolutiontoevolution”的社論。文中稱在便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域以及交通運(yùn)輸和電網(wǎng)規(guī)模存儲(chǔ)領(lǐng)域，鋰離子電池（LIBs）所帶來(lái)的驚人進(jìn)步和社會(huì)變革被人們津津樂(lè)道，以至于人們覺(jué)得諾貝爾委員會(huì)應(yīng)該早早認(rèn)可三位LIBs先驅(qū)所做出的貢獻(xiàn)。盡管如此，他們?cè)诘於ㄤ囯x子化學(xué)基礎(chǔ)上的開(kāi)創(chuàng)性工作的故事卻屢見(jiàn)不鮮。因此，認(rèn)識(shí)到目前商業(yè)LIBs發(fā)展道路上的關(guān)鍵里程碑，考慮未來(lái)電池的發(fā)展道路是非常重要的。

這場(chǎng)革命始于20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)，當(dāng)時(shí)社會(huì)迫切需要替代能源來(lái)取代化石燃料。當(dāng)時(shí)的電池如鉛酸和鎳鎘，并沒(méi)有給高能量輸出帶來(lái)很大希望。StanleyWhittingham在1974年的ChemicalCommunications雜志上發(fā)表了第一篇文章，他指出離子可以電化學(xué)插層到層狀過(guò)渡金屬二硫化物中，比如TiS2。正如他后來(lái)在1976年的Science上所證明的那樣，這種插層化學(xué)使第一個(gè)由TiS2正極和金屬鋰負(fù)極組成的可充電鋰電池成為可能。

電池研究進(jìn)程

JohnGoodenough和他的同事在1980年的MaterialsResearchBulletin中報(bào)道了一種正極LiCoO2（LCO），它具有與TiS2類似的層狀結(jié)構(gòu)，并且能夠脫嵌鋰離子。而這種新的正極使TiS2的工作電壓增加了一倍，從而導(dǎo)致能量密度顯著提高。在眾多的正極材料中，LCO是最成功：它目前仍在大多數(shù)智能手機(jī)中使用。早期的可充電鋰電池只有在實(shí)驗(yàn)室才獲得成功，主要問(wèn)題在于使用金屬鋰負(fù)極，這種負(fù)極具有很高的化學(xué)活性，會(huì)導(dǎo)致顯著的副反應(yīng)。在充電過(guò)程中，由于鋰離子沉積，它們?nèi)菀仔纬芍?，從而?dǎo)致短路的危險(xiǎn)。這也是?？松梨谠噲D將Li-TiS2體系商業(yè)化失敗的科學(xué)原因之一。這一突破得益于1985年的專利，在專利中AkiraYoshino和他的同事報(bào)道了第一個(gè)實(shí)用的鋰離子電池原型，將含碳材料作為負(fù)極，將LCO作為非水電解質(zhì)中的正極。

雖然Yoshino的電池看起來(lái)異常簡(jiǎn)單，但它開(kāi)辟了一個(gè)新的設(shè)計(jì)理念：活性金屬鋰負(fù)極可以被更良性的非金屬化合物（如碳質(zhì)材料）取代，這些化合物能夠儲(chǔ)存鋰離子，同時(shí)消除與使用金屬鋰有關(guān)的問(wèn)題。索尼公司很快采納了Yoshino的策略，制造出了世界上第一款帶有軟碳負(fù)極和LCO正極的商用鋰電池，其能量密度達(dá)到80Whkg–1，是普通鉛酸電池的兩倍。該公司后來(lái)采用了石墨負(fù)極和聚合物凝膠電解質(zhì)來(lái)生產(chǎn)第一批商用聚合物電池。商用電池負(fù)極向石墨的轉(zhuǎn)變很重要，因?yàn)樗试S更高的工作電壓，與優(yōu)化的LCO正極一起，具有190Whkg-1的能量密度。電解液的革新也大大降低了成本，提高了安全性。

汽車電氣化需求

雖然便攜式電子設(shè)備已經(jīng)成功地由石墨基鋰離子電池供電，但汽車電氣化迫切需要更高能量密度的電源。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人們?cè)趯ふ椅磥?lái)電極方面付出了巨大的努力。在最有希望的方法中，金屬鋰是所有鋰負(fù)極中比容量最高的，但面臨著同樣的問(wèn)題。而借助納米技術(shù)和電解液的發(fā)展，能夠解決這些問(wèn)題。在NatureEnergy中，LiuJun提出了實(shí)現(xiàn)高能長(zhǎng)循環(huán)鋰金屬電池的獨(dú)特途徑。特別令人鼓舞的是，這個(gè)原型鋰金屬電池具有300Whkg–1。

在正極方面，層狀Ni-Mn-Co氧化物和Ni-Co-Al氧化物是當(dāng)今電動(dòng)汽車電池中最重要的正極材料。這些材料與LCO有著密切聯(lián)系，但它們的元素成分具有可調(diào)性。對(duì)于下一代正極，如層狀富Li和Mn基氧化物和富Ni氧化物，正在進(jìn)行深入的研究，它們可以提供更高的電壓或容量，從而具有更高的能量密度。

未來(lái)發(fā)展

未來(lái)電池研發(fā)的目標(biāo)是：更多的能源和動(dòng)力、更長(zhǎng)的壽命、更低的成本和更高的安全性。正如以前的科學(xué)突破，加上過(guò)去使電池技術(shù)得以飛躍的工程一樣，基礎(chǔ)研究和技術(shù)水平的進(jìn)步仍然是未來(lái)電池不斷發(fā)展的關(guān)鍵。

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