快速充電鋰電池的新突破

    鋰電池是大家非常熟悉的電子產(chǎn)品，目前廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦及電動(dòng)汽車等產(chǎn)品。不過(guò)，鋰電池的聲譽(yù)也為充電時(shí)間長(zhǎng)、使用壽命短等頑疾所困。近日，新加坡南洋理工大學(xué)研究小組發(fā)明了一種新型快速充電電池，能在2分鐘內(nèi)充電70%，且使用壽命長(zhǎng)達(dá)20年，是當(dāng)前電池使用壽命的10倍。

    鋰電池主要由正極材料（如鋰鈷氧）、電解液和負(fù)極材料（如石墨）組成。每當(dāng)充電時(shí)，鋰離子從正極材料鋰鈷氧晶格中脫出，經(jīng)過(guò)電解液后嵌入到層狀石墨中；放電時(shí)，鋰離子又從層狀石墨的晶格中脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)后嵌入到鋰鈷氧中。在電池充放電的過(guò)程中，鋰離子在正極和負(fù)極之間來(lái)回轉(zhuǎn)移，所以鋰電池也被形象地稱為“搖椅電池”。近年來(lái)，科學(xué)家們對(duì)新型鋰電池、尤其是高容量的鋰硫、鋰氧電池以及納米硅電池的研發(fā)呈井噴態(tài)勢(shì)，但由于合成工藝復(fù)雜、成本高、循環(huán)壽命短等原因，很多成果沒(méi)能得到普及。

    傳統(tǒng)鋰離子電池?zé)o法進(jìn)行快速充電，主要受限于石墨電極的安全性能，并且電池工作時(shí)會(huì)在電極表面形成一層固體電解質(zhì)膜，阻擋了鋰離子的“腳步”，進(jìn)而減慢了鋰離子的運(yùn)輸速度。最新發(fā)明的新型鋰電池的創(chuàng)新點(diǎn)在于，它使用超長(zhǎng)的二氧化鈦納米管凝膠而非傳統(tǒng)的石墨材料作為電池負(fù)極。這種新型材料不會(huì)形成電解質(zhì)膜，鋰離子可以飛速嵌入，進(jìn)而達(dá)到快速充電效果。同時(shí)，得益于一維二氧化鈦納米凝膠的特殊結(jié)構(gòu)，新型電池實(shí)現(xiàn)了壽命的突破，循環(huán)次數(shù)可達(dá)上萬(wàn)次。假設(shè)一天充電一次，可使用20多年。而且，此項(xiàng)研究所使用的二氧化鈦（俗稱鈦白粉）原料成本低且易于加工，電池重復(fù)性好，可靠性也高，而且能與現(xiàn)有工藝無(wú)縫銜接，其工業(yè)化應(yīng)用前景十分光明。

    鋰電池出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代，1991年，索尼公司發(fā)布了首個(gè)商用鋰電池，自此革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。盡管鋰電池應(yīng)用越來(lái)越廣，但其續(xù)航能力和使用壽命一直未得到有效突破，也制約了電動(dòng)汽車等行業(yè)的快速發(fā)展。這項(xiàng)新的技術(shù)突破會(huì)給很多領(lǐng)域帶來(lái)廣泛影響，在移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域，新型電池可以避免一些電子設(shè)備的“被迫淘汰”；電動(dòng)汽車領(lǐng)域也將極大受益，不僅充電時(shí)間可由原來(lái)的幾小時(shí)縮短為幾分鐘，用戶也無(wú)需頻繁更換價(jià)格昂貴的電池組（成本約1萬(wàn)美元），這為電動(dòng)汽車的進(jìn)一步普及帶來(lái)了利好。

    不過(guò)，當(dāng)前鋰電池的發(fā)展面臨的一個(gè)瓶頸是：若想提高容量，勢(shì)必要犧牲充電速度和循環(huán)壽命，而提升充電速度又難以維持較高的容量。未來(lái)電池的更新?lián)Q代，一方面需要提高安全性能，比如對(duì)固態(tài)半固態(tài)電解液的研究，另一方面，需加快大容量正極材料的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)鋰電池在能量密度上的突破。總之，電池的正負(fù)極以及電解液材料需要協(xié)同并進(jìn)發(fā)展，這樣才能夠在形態(tài)、容量等方面有更大的進(jìn)步。 <