專家：鋰金屬電極瓶頸突破尚需十年光景，但值得期待

    現今鋰離子電池普遍以石墨取代鋰金屬做為電池陽極，但專家知道，如果能使用鋰金屬，一個鋰電池的比能將提高 35%、能量密度提高 50%。不過看看鋰金屬電池目前的研究狀況與未來挑戰，美國能源部 ARPA-E 計劃負責人 Paul Albertus 認為，這項技術想獲得突破至少還要 10 年光景。

    《gtm》報導，如果比能（specific energy）提高 35%、能量密度（energy density）提高 50% 后，相當于電池的重量能量密度達到約 350～400Wh / Kg，體積能量密度約 1,000 Wh / L。目前，鋰離子電池組的比能為重量能量密度約 150Wh / Kg，體積能量密度 250Wh / L，而美國能源部對電動車的目標定在 235Wh / Kg、500Wh / L。

    樹枝狀結晶（dendrite）為一種發生在鋰電池陽極的嚴重問題，也是導致鋰電池起火爆炸、壽命縮短的元兇，當電池不斷循環充放電時，鋰金屬也不斷重復生成、游離，過程中電極與電解質之間會形成固態電解質界面（Solid electrolyte interface，SEI），如果 SEI 不穩定，就會導致鋰不均勻分布在陽極上，并開始形成樹枝般的結構，一旦樹枝延伸碰到對面的陰極便形成短路。

    為了避免枝晶形成，商業化鋰電池陽極才舍棄金屬改用石墨，雖然大大降低了樹枝狀結晶形成，但電池效率也大打折扣。如果有天鋰金屬可以正式在陽極站穩腳步，電池將能儲存更多能量，并迎來一場歷史性的重大革命：電動車充一次電可以駕駛更久、電網有了強而有力的儲電后援軍，以便部署更多風能和太陽能設施。

    近年來，美國能源部 ARPA-E 項目啟動了一項名為 IonICS 的儲能計劃，為鋰金屬電極領域的早期研究提供補助，具體使用過 ARPA-E 補助金的單位包括 24M、Ionic Materials、PolyPlus Battery Company、愛荷華州立大學等。

    隸屬于美國能源部的西北太平洋國家實驗室（PNNL），則于 2015 年首次找到一種稱為六氟磷酸銫（CsPF6）的電解質添加劑，可幫助電池陽極（負極）形成保護膜以防止枝晶形成，提升電池性能，希望為電動車領域打開一條康莊大道。

    不過 Albertus 認為，鋰金屬電極結合固體材料的電解質研究，更能使鋰金屬電池有朝一日成為鋰離子電池繼任者，因為最低成本可以降到每千瓦時僅 100 美元，且固態電解質的電池不易燃，操作也更安全。

    這月初，中國科學家在美國化學學會的雜志上發布論文，他們以薄層不對稱的固體電解質實現了無枝晶生成的鋰金屬電池，電解質面向陽極的一側是剛性陶瓷材料，抑制鋰陽極的枝晶生長；面向陰極的一側則由軟聚合物制成以達到低電阻界面目標，透過這種不對稱固體電解質的設，研究人員希望可在固態電池中獲得高能量密度。

    對鋰金屬電極進行研究的企業、政府實驗室數量不在話下，但比起其他技術，如將矽用于鋰離子電池的陽極，鋰金屬電極想真正突破瓶頸可能還需要 10 年，但專家相信，一旦成功，電池產業的革命便指日可待。