說到鋰離子電池大家肯定并不陌生，從能裝進褲兜里的手機、行駛在路上的汽車，再到用于電網(wǎng)能量儲存的基礎(chǔ)設(shè)施都能見到它的身影。

目前，全球的鋰離子電池產(chǎn)量已達到約160G瓦時的水平。這項革命性的技術(shù)使其三位主要開發(fā)者在2019年獲得了諾貝爾化學獎。

然而，鋰離子電池產(chǎn)品并非完美無缺。它價格偏高；有可能發(fā)生著火現(xiàn)象；依賴于越來越難以獲得的材料，如鈷和鎳。

電池專家一致認為，總有一天會出現(xiàn)更好的電池。這說的有可能就是鋰金屬電池。

其實，鋰金屬電池算是鋰離子電池的前輩。它于1970年代由時任艾克森石油公司的化學家的斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham，2019諾貝爾化學獎得住之一）開發(fā)出來。

金屬鋰作為電池材料的一大優(yōu)勢是，它很容易釋放電子和帶正電荷的鋰離子。理論上，如果電池體積不變，在搭載鋰金屬電池的情況下，電動汽車的續(xù)航里程將提升一倍。

但事實證明，惠廷厄姆的設(shè)計難以商業(yè)化，原因在于鋰有著高反應(yīng)活性，通常鋰金屬箔與電解質(zhì)會產(chǎn)生不良反應(yīng)，從而導(dǎo)致電解質(zhì)過熱，甚至出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。另外，用來做陰極的二硫化鈦也太貴。

一個3D孔的活性表面空間是一個2D電池的50倍

后來，惠廷厄姆和其他研究人員在鋰中加入了石墨，以此來降低其反應(yīng)活性，并用更便宜的材料替換了陰極。于是，我們現(xiàn)在常用的鋰離子電池由此誕生。

帶有鋰金屬陽極的電池就此被當成了鋰離子電池發(fā)展道路上的一個有趣墊腳石。

不到十年前，來自麻省理工學院（MIT）的A123系統(tǒng)公司宣布破產(chǎn)，一定程度上是被這一不成熟技術(shù)拖了后腿，進而導(dǎo)致投資者對于電池技術(shù)的疑慮。

2013年1月28日，在美國首都華盛頓，外國投資委員會（CIFUS）正式批準，同意萬向集團收購A123。同樣源自MIT的SolidEnergy接管了A123閑置的設(shè)施，隨后開始以具備商業(yè)可行性的方式自主制造電池。

總部位于美國華盛頓州博塞爾的XNRGI公司也沒有放棄這個選項，目標是要將鋰金屬電池商業(yè)化并打入主流市場。

該公司研發(fā)團隊通過將金屬鋰沉積到涂有薄膜的硅襯底上，并蝕刻數(shù)以百萬計的微小孔洞，成功地抑制了金屬鋰的反應(yīng)活性。

與傳統(tǒng)的鋰離子二維陽極相比，金屬鋰電池的三維基底大大增加了陽極的表面積。“使用金屬鋰陽極的容量是傳統(tǒng)石墨層間化合物的十倍。”XNRGI公司CEO克里斯·德庫托（Chris D’Couto）說道。

該公司預(yù)計2020年開始批量生產(chǎn)鋰金屬電池，供應(yīng)給制造電動車和消費電子產(chǎn)品的客戶。

XNRGI還瞄準了電網(wǎng)存儲市場。2019年，它與加拿大初創(chuàng)公司Cross Border Power簽署協(xié)議，成立了一家合資企業(yè)，主要業(yè)務(wù)正是將其電池分銷給北美的公用事業(yè)機構(gòu)。

當然，關(guān)于新電池技術(shù)的新聞從來就沒斷過，其中不乏有人說自己的研究是“革命性的，可以顛覆整個市場”。但相對而言，在實驗室里看起來很有前途的電池，到了真正投入市場時卻少之又少。

“這取決于你要滿足多少個指標。”阿貢國家實驗室儲能專家文卡特·斯里尼瓦桑（Venkat Srinivasan）解釋說，“如果是用于電動車，理想的電池應(yīng)滿足續(xù)航里程為幾百公里、充電時間以分鐘為單位、工作溫度范圍廣泛、使用壽命達10年、碰撞安全等條件。當然，成本也要降下來。”

“考慮的指標越多，讓一項新的電池技術(shù)商業(yè)化就越困難，所以需要妥協(xié)。比如，想讓電池使用10年以上，那行駛里程可能就有限，充電速度也不會很快。”他補充說，“還有一點是，行業(yè)只希望看到至少與現(xiàn)有電池一樣好的產(chǎn)品。”

XNRGI的德庫托自己也承認，說商業(yè)化鋰金屬電池并非易事。但他同時表示，公司在幾個方面上有優(yōu)勢。

首先，嚴格來講，XNRGI沒有發(fā)明新的制造方法，而是借鑒了芯片制造商用于制造集成電路的一些可靠技術(shù)，包括在硅上蝕刻20×20微米的空腔以及薄膜的應(yīng)用。因此，該公司給電池起了個帶有“芯片”的名字：PowerChip。

德庫托說，這些用顯微鏡才能看到的微孔中的每一個都可以被看作是微電池。與鋰離子電池會發(fā)生災(zāi)難性故障不同，一個PowerChip微電池出現(xiàn)問題不會傳播到周圍的電池上。

其次，一些鋰離子電池，如Enovix、Nexeon、Sila納米技術(shù)和Sion Power等公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，是用硅替代部分或全部的陽極石墨，從而獲得更好的性能。在這些電池的陽極中，鋰與硅材料結(jié)合形成Li15Si4。

同樣，PowerChip的硅襯底具有導(dǎo)電涂層，可作為集流體和防止硅與鋰相互作用的擴散屏障。在這點上，德庫托稱鋰金屬陽極的容量大約是硅插層陽極的5倍。

目前，該公司正在使用由鋰鈷氧化物和鎳錳鈷制成的陰極，其電池容量是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍，而硫等替代材料可以進一步提高陰極性能。“但如果只有一極的性能提高，另一極沒有相應(yīng)的變化并不能激發(fā)出電池的全部潛能。”德庫托給出了這樣的回答。

此前，XNRGI叫做NEAH電力系統(tǒng)，開發(fā)過燃料電池。但是燃料電池市場并沒有起飛，所以到了2016年，在獲得美國能源部的許可后，它使用相同的概念造起了鋰金屬電池。

“我希望每個人都開電動車，甚至連飛機都應(yīng)該電動化。”斯里尼瓦桑看了一眼快沒電的手機，接著說，“電池和生活一樣，總有改進的空間。”（文章&圖片來源：IEEE，作者：Jean Kumagai）

轉(zhuǎn)載請注明出處。