新一期《自然》雜志子刊《科學報道》刊發(fā)了復(fù)旦大學教授吳宇平課題組的一項重磅研究成果。這項關(guān)于水溶液鋰電池體系的最新研究，可將鋰電池性能提高80%。電動汽車只需充電10秒即可行駛400公里，這種電池成本低廉，安全不易爆炸。
2013年3月13日，吳宇平課題組展示了這種鋰電池體系。一片薄薄的金屬鋰，被特制的復(fù)合膜緊密包裹，將其置于pH值呈中性的水溶液中，與鋰離子電池中傳統(tǒng)的正極材料尖晶石錳酸鋰組裝，即可制成平均充電電壓為4.2V、放電電壓為4.0V的新型水鋰電，這一成果大大突破了水溶液的理論分解電壓1.23V。
據(jù)透露，目前普遍采用的是有機電解質(zhì)動力鋰離子電池。在大型的儲能系統(tǒng)中，傳統(tǒng)鋰電池成本高，對生產(chǎn)條件要求高，并且由于有機電解質(zhì)的物理化學性質(zhì)，存在較大安全隱患。這也是目前電能汽車這樣的新能源產(chǎn)品得不到大規(guī)模推廣的主要阻礙。
吳宇平介紹，由于鋰金屬的化學特性非?；顫?，此前科學家將其作為負極材料，通過鋰的氧化還原反應(yīng)進行充電放電。目前常用的鋰電池中一般使用非水的有機電解質(zhì)溶液作為介質(zhì)，讓電化學反應(yīng)過程中電子可以穿梭往來。
然而，傳統(tǒng)方法制造的鋰電池生產(chǎn)成本較高，且其中有機電解質(zhì)溶液存在一定安全隱患。近年來全球科學家都在探索，鋰電池中的介質(zhì)溶液能否用離子導電率更高的水來代替？難題擋在所有人面前――鋰電池依靠鋰離子通過介質(zhì)溶液，在正負電極間的遷移而產(chǎn)生電流，但由于低電位的鋰離子會和水溶液發(fā)生的電化學反應(yīng)，結(jié)果析出氫，生成氫氧化鋰，使電池自身產(chǎn)生損耗，無法進行可逆充電。
復(fù)旦研究人員獨辟蹊徑，用高分子材料和無機材料制成復(fù)合膜，包裹在金屬鋰外。這層復(fù)合膜幫助鋰離子的電位在正負極之間 “時空穿越”――在它的作用下，質(zhì)子和水分子無法在低電位下得到電子，就不會在鋰離子遷移過程中產(chǎn)生損耗。吳教授打趣說：“你可以把它看成一道‘任意門’，鋰離子的電位經(jīng)過膜，一下就到了負極，然后又直接從負極回到正極，就好像科幻片中，人跨過蟲洞可以直接在地球和外太空之間往返。”正因此，課題小組把這一新發(fā)現(xiàn)稱作“電位穿越”。
據(jù)介紹，包裹復(fù)合膜的新型水鋰電，可以大幅降低電池的成本，提高其能量密度，使充電時間更短，儲存電量更多，更耐久、更穩(wěn)定。
據(jù)實驗測算，這一技術(shù)制造的新型鋰電池，能量效率高達95%，它的能量密度――即同樣大小、質(zhì)量的情況下單位儲存電能，比目前普遍采用有機電解質(zhì)的鋰離子電池高出80%。研究人員介紹，預(yù)計裝備這一新型水鋰電的電動汽車，滿電狀態(tài)下行駛距離可達400公里，而充電時間僅10秒鐘左右；如應(yīng)用于筆記本電腦、手機，待機時間可增加一倍以上。對環(huán)境構(gòu)成的污染也比現(xiàn)有鋰電池小得多。
吳宇平說，美國能源研究所已“瞄”上這項研究，希望與他達成合作意向。但他更希望能與國內(nèi)有前瞻性的企業(yè)合作。他表示，“新型水鋰電在生活中可具體應(yīng)用到各方各面，希望水鋰電的突破能夠最終使消費者對安全放心、對成本接受，解決目前全球躊躇不前的電動汽車產(chǎn)業(yè)。”
韓科學家開發(fā)新型鋰電池：充電速度提升120倍
韓國蔚山科技大學的一個科研小組開發(fā)出一種充電速度比傳統(tǒng)鋰電池快30到120倍的新型鋰電池。這個小組相信，可用它為電動汽車制造一個電池組，這樣給汽車充滿電需要不到一分鐘。
充電電池的一個主要問題是電池越大，充電時間越長。給一個電池充電時，總是從外向內(nèi)充電，所以電池越大，充電時間就越久。通過將大電池分成很小的數(shù)個電池，或許就可以解決這個問題。
韓國科學家使用陰極材料――標準的鋰錳氧化物（LMO），把它浸泡在一種含有石墨的溶液中。然后，將經(jīng)石墨浸泡的鋰錳氧化物進行碳化處理，石墨就會變成一個穿越陰極的導電網(wǎng)。這個新陰極接著被電解質(zhì)和石墨陽極包起來，就制成了快速充電的鋰電池。電池的能量密度和循環(huán)壽命等因素似乎都沒有變化。
這些碳化的石墨網(wǎng)十分有效，像血管一樣運作，使電池的每個部分都能同時充電，致使充電速度快了30到120倍。無論從哪點來看，這都是一種標準的鋰電池，可用于智能手機和電腦產(chǎn)品。但這些導電網(wǎng)增加了電池的總尺寸，所以或許更適合用在電動汽車上。毫無疑問，一輛充電時間不到一分鐘的電動汽車是相當棒的。能快速充電非常方便，卻不能回避鋰電池組非常昂貴的事實。韓國碳化鋰錳氧化物電池確實不便宜。
你可以把快速充電電池看作智能手機和筆記本用戶的不錯選擇。當然，你可能擁有普通電池和快速充電電池，無論哪一種都會使你的日常生活變得更有意義?？焖俪潆婋姵卦跓o線鼠標、鍵盤和其他小裝置的使用中可能更方便。
日本全固體鈉蓄電池在室溫下成功工作
日本大阪府立大學和日本科學技術(shù)振興機構(gòu)聯(lián)合發(fā)表新聞公報說，大阪府立大學的研究人員開發(fā)出一種利用鈉離子導電性的無機固體電解質(zhì)，并證實用這種電解質(zhì)制成的全固體鈉蓄電池能在室溫下正常工作。
公報說，作為純電動車的驅(qū)動電源和太陽能發(fā)電、風力發(fā)電的存儲設(shè)備，高性能蓄電池的開發(fā)迫在眉睫。利用鈉離子實現(xiàn)反復(fù)充電、放電的蓄電池，由于鈉資源儲量豐富和容易實現(xiàn)低成本生產(chǎn)，被部分專家視為替代鋰離子電池的下一代蓄電池。
目前，利用鈉離子導電性的鈉硫電池等大型電力存儲用蓄電池，已進入實用化階段，但這種電池工作時需加熱到250攝氏度以上，以使其正極的硫和負極的鈉處于熔融狀態(tài)，保持電池內(nèi)部的低電阻。而使用無機固體電解質(zhì)且正負極全部使用固體材料的電池不僅更安全，而且兼具單位體積存儲能量多和使用壽命長等優(yōu)點。
大阪府立大學的研究人員通過使玻璃結(jié)晶的方法，發(fā)現(xiàn)一種固體電解質(zhì)，這種電解質(zhì)能析出此前未曾報告過的立方晶系硫代磷酸鈉。研究人員證實，這種固體電解質(zhì)在25攝氏度的室溫下具有高導電率。把這種電解質(zhì)微粒在室溫下粉碎成形并制成的全固體鈉蓄電池，可在室溫下反復(fù)充電、放電。
公報說，提高全固體電池的性能還需進一步增大電解質(zhì)的導電率以及在電極和電解質(zhì)之間構(gòu)筑良好的固體界面，研究人員今后將致力于解決這些課題，以期研制出實用的新一代蓄電池。
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