科技大觀：實現(xiàn)快速充電 鋰電池研究的新突破

    鋰電世界  鋰電池是大家非常熟悉的電子產品，目前廣泛應用于手機、筆記本電腦及電動汽車等產品。不過，鋰電池的聲譽也為充電時間長、使用壽命短等頑疾所困。近日，新加坡南洋理工大學研究小組發(fā)明了一種新型快速充電電池，能在2分鐘內充電70%，且使用壽命長達20年，是當前電池使用壽命的10倍。

　鋰電池主要由正極材料(如鋰鈷氧)、電解液和負極材料(如石墨)組成。每當充電時，鋰離子從正極材料鋰鈷氧晶格中脫出，經過電解液后嵌入到層狀石墨中；放電時，鋰離子又從層狀石墨的晶格中脫出，經過電解質后嵌入到鋰鈷氧中。在電池充放電的過程中，鋰離子在正極和負極之間來回轉移，所以鋰電池也被形象地稱為“搖椅電池”。近年來，科學家們對新型鋰電池、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，但由于合成工藝復雜、成本高、循環(huán)壽命短等原因，很多成果沒能得到普及。

　傳統(tǒng)鋰離子電池無法進行快速充電，主要受限于石墨電極的安全性能，并且電池工作時會在電極表面形成一層固體電解質膜，阻擋了鋰離子的“腳步”，進而減慢了鋰離子的運輸速度。最新發(fā)明的新型鋰電池的創(chuàng)新點在于，它使用超長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極。這種新型材料不會形成電解質膜，鋰離子可以飛速嵌入，進而達到快速充電效果。同時，得益于一維二氧化鈦納米凝膠的特殊結構，新型電池實現(xiàn)了壽命的突破，循環(huán)次數可達上萬次。假設一天充電一次，可使用20多年。而且，此項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，電池重復性好，可靠性也高，而且能與現(xiàn)有工藝無縫銜接，其工業(yè)化應用前景十分光明。

　鋰電池出現(xiàn)于上世紀70年代，1991年，索尼公司發(fā)布了首個商用鋰電池，自此革新了消費電子產品的面貌。盡管鋰電池應用越來越廣，但其續(xù)航能力和使用壽命一直未得到有效突破，也制約了電動汽車等行業(yè)的快速發(fā)展。這項新的技術突破會給很多領域帶來廣泛影響，在移動設備領域，新型電池可以避免一些電子設備的“被迫淘汰”；電動汽車領域也將極大受益，不僅充電時間可由原來的幾小時縮短為幾分鐘，用戶也無需頻繁更換價格昂貴的電池組(成本約1萬美元)，這為電動汽車的進一步普及帶來了利好。

　不過，當前鋰電池的發(fā)展面臨的一個瓶頸是：若想提高容量，勢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。未來電池的更新?lián)Q代，一方面需要提高安全性能，比如對固態(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)，實現(xiàn)鋰電池在能量密度上的突破。總之，電池的正負極以及電解液材料需要協(xié)同并進發(fā)展，這樣才能夠在形態(tài)、容量等方面有更大的進步。