去年4月，本文作者LisaSmith看了一下发表在“Advanced”杂志家族上的最新的锂电池研究成果。一年多之后，目前科研人员对电池技术的研究似乎将继续扩大，人们也在积极寻找锂系统的许多潜在替代品。现在似乎是分享这些新系统最新工作近况的好时机。但首先，我们需要快速了解一下这一大规模国际努力背后的动机：
全球能源需求正在迅速增长。每当你拿出你的智能手机时，不管是为了庄稼的种植而检查天气情况，还是获得公交时刻表的最新消息，或者只是为了找出关于某个名人的娱乐新闻，你就是在为这个能源的使用做出贡献。人们普遍认为，可持续性是非常重要的，但对某些原材料的需求正在变得具有不可持续性，特别是政策的变化和我们使用技术的方式推动了从化石燃料向更清洁的电化学系统的转变。目前的商业电池技术不具备或无法满足人们所期望的能量密度（即每克材料所能产生的能量）。
为了解决可持续能源生成和储存的关键问题，研究人员正在探索用新材料作为电池的电极和电解质，并创造诸如可穿戴或可折叠设备的灵活性或透明性等新功能。
对更高能量和功率密度的需求促进了人们对固体电解质的研究，这可能有助于人们获得更多超出标准的高容量锂技术。目前科研人员正在研究三种类型的固体电解质：聚合物，硫化物和氧化物。聚合物是最容易使用的，但与硫化物和氧化物相比，其机械强度和离子电导率较低。需要将固体电解质加工成非常薄的薄膜以使充电/放电期间的电流最大化，但是事实证明，在制造期间实现精确控制是很棘手的一个问题。
图片显示为薄固体电解质，该固体电解质仅为0.4μm厚，由纳米板的熔融膜形成
在美国几家不同机构工作的团队开发出了β-Li3PS4固体电解质膜，其厚度仅为0.4μm。这些膜与金属锂阳极电化学相容，并且不需要硫化物基固体电解质的典型高加工温度。他们的三步法在“AdvancedEnergyMaterials”的封面上刊登了出来，涉及在镍基底上蒸发诱导的Li3PS4·2ACN（乙腈）纳米片的面对面堆叠组装，产生均匀的薄膜。加热至180°C以上可除去ACN，提供良好的离子导电性，并将薄膜转化为β-Li3PS4；施加200MPa然后使薄膜熔化，增加它们的密度。发现前体的浓度决定了膜的厚度，为更好地控制固体硫化物电解质膜的形成提供了一条简单、可处理的途径。
相反，解决锂枝晶形成的问题（清华大学张强提出了这个问题的解决方案），来自中国的一个团体设计了他们所谓的“拉链式”SEI薄膜。而不是抑制SEI层中的应力引起的缺陷，正如大多数当前的方法所做的那样，这些薄膜能够使用自修复机制自动修复裂缝。在“AdvancedEnergyMaterials”杂志中，研究团队解释了他们是如何用有序的凹坑图案化阳极表面的，从而形成网状SEI薄膜，减少极化。这使得锂离子通量更加均匀，并且提高了电镀/剥离循环期间的性能。
钙的天然丰富度吸引了另一群中国人研究可充电的钙离子电池系统。在正在研究的多价阳离子中，钙的还原电位最接近锂，它显示出更高的安全性和较快的电化学动力学；然而，由于钙从标准有机电解质缓慢扩散到活性材料中，钙系统的稳定性非常差（循环稳定性少于50次循环）以及工作电压很低。
钙离子是锂离子的一个有趣的替代物，而且这个系统是迄今为止最稳定的
科研人员使用膨胀石墨电极：一种允许嵌入Ca2的材料，而不仅仅是从金属钙电极上电镀和剥离的材料，他们开发了一种具有碳酸盐电解质和Ca（PF6）2的系统。他们在“AdvancedScience”中的论文中讲述了他们如何以2C的电流速率实现了66mAhg-1的特定容量，具有4.6V的高工作电压。关键的是，他们的钙离子电池的放电容量在300次循环后仍保持了62mAhg-1（此时电量保留率为94％），这是迄今为止钙系统所表现出的最稳定的性能。
德国和瑞士的一个合作小组也对石墨作为插层电极的使用进行了研究。他们探讨了它在钠离子电池系统中的应用机制，特别是它在循环过程中如何保持这种良好的稳定性，尽管电极材料在循环过程中会发生类似于“呼吸”的行为，尽管它显然没有形成任何SEI层，通常人们认为有必要防止连续分解，但本研究中证实这种情况不存在。他们在“AdvancedEnergyMaterials”论文中阐明，即使电极体积膨胀和收缩约为70-100％，它仍然保持稳定，因为石墨颗粒从表面剥落形成结晶小板，但不会分层，这就避免了人们通常观察到的如此大体积变化时的降解。
石墨嵌入电极允许钠络合物（a）嵌入层（b）之间，并且即使没有任何SEI形成，系统也是十分稳定的
一如既往的，我们在商业化这些技术之前还有一段很长的路要走，但我期待看到清洁能源产生和存储的逐步改进。拥有更强大，更持久的电池将意味着后代能够以可持续的方式使用功能日益强大的便携式电子系统。那么那些额外的功能呢？例如可以折叠后放进钱包里的智能手机？其实这并不像你想象的那么遥远，不久的将来一定会实现的。
本文摘自：材料科技在线
