鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1603次 | 2020年03月23日
麻省理工教授李巨領(lǐng)銜 聯(lián)手“鋰離子電池之父”推全固態(tài)電池
通常人們習(xí)慣于將技術(shù)的緩慢小步伐提高叫作 “擠牙膏”，英特爾就因?yàn)槠洚a(chǎn)品的更新速度和性能提高幅度，而被網(wǎng)友戲稱(chēng)為“牙膏廠”。其實(shí)在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜匾巧囊粋€(gè)產(chǎn)品——鋰離子電池，其技術(shù)性能的提高同樣也在“擠牙膏” 中。
“鋰離子電池之父”約翰 · 古迪納夫（John B. Goodenough），被我國(guó)的關(guān)注者親切地稱(chēng)作“足夠好老爺子”。2019 年，他因在鋰離子電池領(lǐng)域的成就，在 97 歲高齡時(shí)獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
不過(guò)，關(guān)于鋰離子電池能量密度每年約新增 7%-8% 的狀況，古迪納夫很不滿意，“你要的是一小步跨越，而不是一點(diǎn)增量?！倍J(rèn)為的跨越，最有可能出現(xiàn)在全固態(tài)電池技術(shù)上。就在近日，由麻省理工學(xué)院（MIT）領(lǐng)導(dǎo)，古迪納夫參與合作的一項(xiàng)研究，將有助于完成這“一小步跨越”，推動(dòng)容量更大、續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)的電池誕生。
該研究基于一個(gè)電池領(lǐng)域長(zhǎng)期追求的目標(biāo)——即使用純金屬鋰作為電池的負(fù)極。與采用有機(jī)電解質(zhì)的傳統(tǒng)鋰離子電池相比，固態(tài)電池的安全性要好許多。通過(guò)用金屬鋰代替石墨作為負(fù)極，還可以讓能量密度大幅提高，這使得固態(tài)電池在許多應(yīng)用上看起來(lái)極具前景。曾有電池研究領(lǐng)域的科學(xué)家表示：“這就是圣杯，鋰金屬的能量密度是所有材料中最高的。”
新電極的概念來(lái)自于 MIT 巴特爾能源聯(lián)盟核科學(xué)與工程、材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)教授李巨的實(shí)驗(yàn)室?！蹲匀弧冯s志于近日刊登了一篇由李巨實(shí)驗(yàn)室的博士后陳育明和王自強(qiáng)為第一作者，連同其他在麻省理工學(xué)院、福建師范大學(xué)、香港理工大學(xué)、得州大學(xué)奧斯汀分校、中佛羅里達(dá)大學(xué)和澳大利亞悉尼大學(xué)的研究人員共同完成的文章。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
文章所介紹的設(shè)計(jì)，正是開(kāi)發(fā)安全可靠的 “全固態(tài)電池” 概念中的重要部分之一，它可以讓人們擺脫常用的電解質(zhì)材料——液體或聚合物凝膠。而且，全固態(tài)電解質(zhì)會(huì)比液態(tài)電解質(zhì)更安全：因?yàn)橐簯B(tài)電解質(zhì)具有高揮發(fā)性，而這也是鋰離子電池爆炸的根源。
蜂窩狀電極巧妙化解應(yīng)力難題
“全固態(tài)電池指的是沒(méi)有任何的離子液體、膠體或液體成分在其中?！崩罹迣?duì) DeepTech 表示，“針對(duì)固態(tài)電池的研究，比如對(duì)鋰金屬電極和固態(tài)電解質(zhì)等方向，我們已經(jīng)做了許多的工作。但這些努力一直面對(duì)著許多問(wèn)題?！?/p>
最大的問(wèn)題之一，是在電池充滿電時(shí)，原子會(huì)在鋰金屬內(nèi)部積聚，從而使其膨脹。然后，隨著電池的使用，金屬在放電過(guò)程中又會(huì)再次收縮。這種金屬尺寸的反復(fù)變化類(lèi)似于人呼吸時(shí)的胸腔變化，會(huì)讓固體難以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的接觸，并加大了固體電解質(zhì)破裂或分離的可能。
困擾研發(fā)的另一個(gè)問(wèn)題則是，此前提出的固體電解質(zhì)在與高反應(yīng)性的鋰金屬接觸時(shí)，化學(xué)穩(wěn)定性都很差。它們通常會(huì)隨著時(shí)間的推移而緩慢降解。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
在嘗試克服這些問(wèn)題的過(guò)程中，過(guò)往研究者更多地聚焦在設(shè)計(jì)對(duì)鋰金屬絕對(duì)穩(wěn)定的固體電解質(zhì)材料上，但事實(shí)證明這非常困難。與之前的研究不同，李巨的研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，采用了一種不同尋常的設(shè)計(jì)方式。他們利用了兩類(lèi)與鋰接觸時(shí)化學(xué)性質(zhì)絕對(duì)穩(wěn)定的材料——“混合離子電子導(dǎo)體”（MIEC）”和“電子和鋰離子絕緣體”（ELI）。
固體從導(dǎo)離子和導(dǎo)電子性質(zhì)上看，可以分為四類(lèi)，即金屬（導(dǎo)電子、不導(dǎo)離子），固態(tài)電解質(zhì)（不導(dǎo)電子、導(dǎo)離子），MIEC（導(dǎo)電子、導(dǎo)離子），ELI（不導(dǎo)電子、不導(dǎo)離子）。“從電化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性考慮，我們發(fā)現(xiàn)全固態(tài)電池必須用到所有這四類(lèi)?！崩罹迯?qiáng)調(diào)說(shuō)。此外，ELI 的用途是隔絕 MIEC 軌道與固態(tài)電解質(zhì)，并把 MIEC 軌道牢牢固定在固態(tài)電解質(zhì)中。
研究人員開(kāi)發(fā)出一種六邊形的 MIEC 管蜂窩狀陣列的三維納米結(jié)構(gòu)，并在該結(jié)構(gòu)中的一部分注入了固態(tài)鋰金屬以形成電池的一個(gè)電極，但每根管內(nèi)都留有多余的空間。當(dāng)鋰在充電過(guò)程中膨脹時(shí)，它會(huì)在依然保持其固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還可以像液體相同流入管內(nèi)部的空白區(qū)域。這種流動(dòng)被完全限制在蜂窩狀結(jié)構(gòu)之中，既能在充電引起膨脹時(shí)減輕壓力，又不會(huì)改變電極的外部尺寸或電極與電解質(zhì)之間的邊界。ELI 也如李巨教授解釋得一般，是 MIEC 外壁和固體電解質(zhì)層之間的關(guān)鍵機(jī)械粘合劑。
“我們?cè)O(shè)計(jì)的這種結(jié)構(gòu)，可以供應(yīng)像蜂巢相同的三維電極。”李巨說(shuō)，“該結(jié)構(gòu)的每一根管子里的空隙都允許鋰‘蠕動(dòng)’進(jìn)入管子。這樣一來(lái)，它就不會(huì)積聚應(yīng)力以致固態(tài)電解質(zhì)破裂。這些管中的鋰在膨脹和收縮，往返的進(jìn)出，有點(diǎn)兒像汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)里的活塞在氣缸中相同。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)是按納米級(jí)尺寸建造的（管子的直徑約在 100 納米到 300 納米之間，高度為數(shù)十微米），所以結(jié)果就像臺(tái)具有 100 億個(gè)活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)，以金屬鋰作為工作流體?！?/p>
目標(biāo)：更輕、更便宜、更安全
事實(shí)上，在鋰離子電池領(lǐng)域的研究有許多不同的方向。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，有堅(jiān)持在當(dāng)下鋰離子電池基礎(chǔ)上優(yōu)化的，有采用液態(tài)電解質(zhì)研發(fā)新型鋰金屬電池的，還有一些屬于 “半固態(tài)電池” 的研究——通常是指一側(cè)電極采用固態(tài)電解質(zhì)，而另一側(cè)電極仍用液態(tài)電解質(zhì)。但嘗試半固態(tài)電池的，更多的是出于快速商業(yè)應(yīng)用考慮，比如豐田將目標(biāo)定于研發(fā)電車(chē)用的全固態(tài)電池，但也表示會(huì)從 “半固態(tài)電池” 開(kāi)始逐步進(jìn)入市場(chǎng)。
業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化會(huì)和三元鋰離子電池的技術(shù)發(fā)展路線相同，將會(huì)分為幾個(gè)階段，不會(huì)一蹴而就。其要在技術(shù)上不斷突破，并且持續(xù)降低成本，才可能最終走出實(shí)驗(yàn)室，得以廣泛應(yīng)用。一旦實(shí)現(xiàn)，從理論上講，全固態(tài)電池可以替代幾乎目前所有的鋰離子電池，從手機(jī)到筆記本電腦，再到電動(dòng)汽車(chē)。其作為下一代電池的代表，全固態(tài)電池在未來(lái)有望大幅提升電車(chē)的續(xù)航里程，真正推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模普及。
關(guān)于固態(tài)電池的整體發(fā)展，李巨表示：用離子液體或膠體的 “半” 固態(tài)電池，距離產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)很近了。而全固態(tài)電池，假如是針對(duì)車(chē)輛這類(lèi)大電流的應(yīng)用，我個(gè)人認(rèn)為距離工業(yè)規(guī)?；€比較遠(yuǎn)。還要進(jìn)一步提升技術(shù)并且控制成本。
盡管有很多其他的研究團(tuán)隊(duì)也在研究所謂的固態(tài)電池，但這些系統(tǒng)中的大多數(shù)實(shí)際上在某些液體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)材料混合的情況下工作的更好?！暗覀兊难芯?，一切都是實(shí)實(shí)在在的固體，里面沒(méi)有液體或凝膠。而且據(jù)我們所知，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能在全固態(tài)電池里面是出類(lèi)拔萃的。”李巨說(shuō)。
在設(shè)計(jì)時(shí)要的 MIEC 和 ELI 都是熱力學(xué)上對(duì)鋰金屬絕對(duì)穩(wěn)定的。李巨表示，這種 MIEC 材料的選擇有很多，ELI 材料的選擇也有三十幾種。這些蜂窩狀的 100 納米 MIEC 軌道保證了鋰金屬不會(huì)脫離電接觸和離子接觸，不會(huì)形成“死鋰”，也不會(huì)有副反應(yīng)形成鈍化膜。“ELI 的‘根’或者說(shuō)涂層，把 MIEC 軌道固定在了固態(tài)電解質(zhì)層里?！?br/>
而在此之前，研究團(tuán)隊(duì)也面對(duì)著很大的挑戰(zhàn)。“MIEC 軌道是不能直接和固態(tài)電解質(zhì)接觸的，因?yàn)樵诔潆姇r(shí)界面上會(huì)析出鋰金屬；而鋰金屬又非常軟，所以稍有一點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)力，MIEC 軌道就會(huì)從固態(tài)電解質(zhì)里面被拔出來(lái)?！崩罹拚f(shuō)，“為解決這個(gè)問(wèn)題，我們做了非常多的嘗試?！?/p>
如今的設(shè)計(jì)讓整個(gè)固態(tài)電池在使用周期中可以保持機(jī)械與化學(xué)穩(wěn)定性?！拔覀円呀?jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。我們讓測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了 100 次原位充放電循環(huán)，在此期間原位透射電鏡下沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何固體管道破裂。”論文的第一作者陳育明和王自強(qiáng)補(bǔ)充道。
在相同的儲(chǔ)電容量下，李巨團(tuán)隊(duì)的新設(shè)計(jì)可以制造出更安全的電池，并且負(fù)極重量?jī)H為傳統(tǒng)鋰離子電池負(fù)極的 1/4。而假如將這種新型的負(fù)極結(jié)構(gòu)與另一種輕型電極（正極）的新設(shè)計(jì)理念相結(jié)合，則可能會(huì)大幅度降低鋰離子電池的總體重量。團(tuán)隊(duì)希望未來(lái)能讓智能設(shè)備每三天充電一次，同時(shí)也不會(huì)讓其本身變得更加笨重。
而對(duì)正極的研究也正是李巨領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的項(xiàng)目，該團(tuán)隊(duì)更早時(shí)間在《自然 · 能源》雜志上發(fā)表了一篇論文，其描述了一個(gè)新穎的更輕型的正極設(shè)計(jì)。這種正極材料設(shè)計(jì)將大幅減少此前對(duì)過(guò)渡金屬，比如鎳和鈷的使用（這兩種金屬既昂貴又有毒）。其反而更多地依靠氧的氧化還原能力，因?yàn)檠跻p得多，也更豐富。
但在反應(yīng)過(guò)程中，氧離子變得更具有流動(dòng)性，這可能導(dǎo)致它們從正極粒子中逃逸。研究人員用熔融鹽對(duì)高溫表面進(jìn)行處理，在富含錳和鋰的金屬氧化物顆粒表面形成一層保護(hù)層，從而大大減少了氧的損失。目前，該團(tuán)隊(duì)制造的設(shè)備還屬于小型的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，但李巨表示：“我希望可以迅速擴(kuò)大規(guī)模。其所需的材料（大部分為錳）比其他系統(tǒng)使用的鎳或鈷要便宜得多，因此這些正極的成本最低可達(dá)傳統(tǒng)正極的 1/5?！?/p>
在采訪的最后，談及與 “足夠好” 老爺子古迪納夫的合作，李巨表示：“我的實(shí)驗(yàn)組與 Goodenough 先生共同發(fā)表過(guò)兩篇文章，能和老先生合作是我們的榮幸。”
原標(biāo)題:劍指電池領(lǐng)域“圣杯”！麻省理工教授李巨領(lǐng)銜，聯(lián)手“鋰離子電池之父”推全固態(tài)電池
