锂电潜力已开拓至极限？天下必要一场新电池革命

吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名员工。当这家电动汽车公司于2003年创立时，电池能量密度稳步进步已经一连了十年，每年的进步幅度约为7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基发明锂离子电池的机能开始趋于安稳。在已往的七八年里，科学家们不得不不遗余力去争取哪怕是0.5%的电池机能进步。

其时的前进首要来自工程和制造业的改造。伯迪切夫斯基说:“在当代化学回响被行使27年后，它们不绝接管提炼。”原料越发纯净，电池制造商已经可以或许通过使每层都变得更薄的方法将更活泼的原料装入沟通的空间中。伯迪切夫斯基称之为“从罐子里吸出氛围”。但这也有其自身风险。当代电池由极薄的阴极、电解质和阳极原料的瓜代层构成，与铜和铝电荷网络器细密地团结起来，将电子带出电池，送到必要的处所。

在很多高端电池中，塑料隔阂位于阴极和阳极之间，用来防备它们打仗和短路，其厚度仅为6微米（约为人类头发厚度的1/10），这使它们很轻易受到挤压损伤。这就是航空公司的安详视频此刻为何告诫称，假如你的手机掉进了机器装置里，不要试图调解座位。

对锂离子电池的每一次改造，都必要衡量弃取。进步能量密度会低落安详性，引入快速充电也许低落电池的轮回寿命，这意味着电池的机能降落得更快。锂离子的潜力正在靠近其理论极限。自从古德诺夫的打破以来，研究职员一向在试图探求下一个奔腾，包罗通过体系性地审阅电池的四个首要构成部门——阴极、阳极、电解质和疏散器，并行使越来越伟大的器材。

克莱尔·格雷(Clare Grey)是古德诺夫在牛津大学的门生，他始终在研究锂-氛围电池，即用氛围中的氧气充当另一个电极。从理论上讲，这些电池提供了庞大的能量密度，但要让它们靠得住地充电，而且一连时刻高出几十个周期，在尝试室里已经够坚苦的了，更不消说在实际天下肮脏而不行预知的氛围中了。

尽量格雷声称最近取得了打破，但因为上述题目，研究集体的留意力首要转向了锂-硫电池。它为锂离子提供了更自制、更强盛的更换品，但科学家们始终在全力阻止其在阴极上形成的树突（cathode），以及在阳极上的硫磺因一再充电而消融。索尼声称已包办理了这一题目，并但愿到2020年将含有锂-硫电池的斲丧类电子产物推向市场。

在曼彻斯特大学，原料学家刘旭清(Xuqing Liu)是那些试图从碳阳极中挤出更多能量的人之一，他将相同于石墨烯的二维原料团结起来，以便扩大外貌积，从而增进锂原子的数目。刘旭清把它比作增进一本书的页数。这所大学还投资制作干燥的尝试室，这将使其研究职员可以或许安详、轻松地互换差异的元件，以测试差异的电极和电解质的组合。

令人难以置信的是，纵然古德诺夫本人也在研究这个题目。客岁，94岁的他颁发了一篇论文，描写了一种容量是现有锂离子电池三倍的电池。这受到普及质疑。一位研究职员说:“假如是古德诺夫之外的其他人颁发了这篇文章，我也许就要骂娘。”

可是，尽量有成千上万的论文颁发，数十亿美元的资金投入，数十家创业公司创立并提供资金支持，自1991年以来，我们大部门斲丧电子产物的根基化学成果险些没有改变。在本钱、机能和斲丧性电子产物的便携性方面，还没有什么可以或许代替锂钴氧化物和碳的组合。iPhone X的电池的道理险些和索尼的第一台便携式摄像机一样。

因此，2008年，伯迪切夫斯基从特斯拉分开，开始专注于研究新的电池化学回响。他对探求石墨阳极的更换品尤其感乐趣，他以为这是制造更好电池的最大障碍。伯迪切夫斯基说:“石墨的行使已经有六七年了，它此刻根基上是用在电池的热力学容量上。”2011年，他与特斯拉的前同事亚历克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亚理工学院原料学传授格莱布·尤辛（Gleb Yushin）配合创建了Sila Nanotechnologies。他们在阿拉米达的湾区办公室有开放式机关，以雅达利游戏定名的集会会议室，尚有布满熔炉和燃气管道的家产尝试室。

在观测了全部也许的办理方案之后，三人从理论上确定硅是最有前程的原料。他们只必要让技能施展浸染。很多人在他们之前实行过，但都以失败了却。不外，伯迪切夫斯基和他的同事们对他们的乐成暗示乐观。一个硅原子可以附着4个锂离子，这意味着与重量临近的石墨阳极对比，一个硅阳极可以储存10倍的锂。这一潜力意味着，美国国度研究院对硅阳极原料布满了乐趣，Amprius、Enovix和Envia等风谋利构支持的初创企业也是云云。

当锂离子在电池充电时附着在阳极上时，它会稍微膨胀，然后在行使时再次紧缩。在一再的充电轮回中，这种膨胀和紧缩粉碎了固态电解质界面层，后者是一种掩护物质，在阳极外貌形成斑块。这种侵害会发生副浸染，耗损电池中的部门锂。伯迪切夫斯基说：“它被困在无用的垃圾里。”

跟着时刻的推移，这是智妙手机开始快速丧失储能的首要缘故起因。石墨阳极膨胀和紧缩约7%，因此在机能开始急剧下滑之前，它可以完成约莫1000个充放周期。这相等于一部智妙手机一连两年、天天充电。但因为硅颗粒能吸附云云多的锂，它们在充电时膨胀的幅度要大得多（高达400%）。大大都硅阳极颠末屡次充电轮回后会产生断裂。在尝试室的5年多时刻里，Sila Nanotechnologies缔造了一种纳米复合原料来办理膨胀题目。

伯迪切夫斯基表明说，假如石墨阳极是个“公寓区”，那么全部的“房间”都是一样巨细，并且都牢牢地挤在一路。颠末3万次迭代（差异的柱子和房间组合），他们形成了阳极，哪里每层都有足够的空间让硅原子在获取锂时膨胀。他说：“我们把多余的空间困在构筑内部。”这就办理了膨胀题目，同时保持阳极的外部尺寸和外形不变。

伯迪切夫斯基暗示，来岁Sila Nanotechnologies将向制造商提供的第一代原料，将使能源密度进步20%，并最终进步40%，同时也能进步安详性。他说：“硅能让你阔别边沿，你可以空出1%或2%的空间，以真正大幅进步你的安详。”最重要的是，它也可以直接转换成现有的计划。跟着亚洲的电池出产商争相增进工场产能，为电动汽车期间到来做筹备，伯迪切夫斯基以为，任何与当前出产工艺不兼容的产物都也许被解除在外。他说：“假云云刻还不存在可以更换锂离子的技能，到上市的时辰，它将迎来无数的用户群。”

图：这名汉子在玻利维亚乌尤尼的盐滩事变，这个面积4000平方英里的偏远地域拥有天下上最大的锂储量

（编辑：湖南网）

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