人们对下一代高能量密度锂金属电池寄予厚望，但在将其用于我国汽车之前，还有一些关键问题需要解决。由瑞典查尔默斯理工大学领导的一个国际研究小组现在已经为电池的充电和操作制定了具体的指导方针，最大限度地提高了效率，同时最大限度地减少了短路的风险。
锂离子电池是目前广泛应用于各种电动汽车的概念之一，尤其是锂离子电池。
这种新型电池的最大优点是能量密度可以显著提高。这是因为电池的一个电极，即阳极，由一层薄薄的锂金属箔组成，而不是像锂离子电池那样由石墨组成。如果没有石墨，电池中活性物质的比例会高得多，增加能量密度，减轻重量。使用锂金属作为阳极也使得在阴极的另一个电极上使用高容量材料成为可能。这会导致电池的能量密度是当前水平的三到五倍。
然而，最大的问题是安全。在最近发表在著名期刊《先进能源材料》和《先进科学》上的两篇科学文章中，查尔默斯理工大学的研究人员与俄罗斯、中国和韩国的同事共同提出了一种以最佳和安全的方式使用锂金属的方法。这是由于设计电池时，在充电过程中，金属不会形成尖锐的针状结构，即树枝晶，这会导致短路，在最坏的情况下，会导致电池着火。充放电过程中的安全是关键因素。
“锂金属电池的短路通常是由于充电过程中金属沉积不均匀，阳极上形成树枝状晶造成的。这些突出的针头导致阳极和阴极彼此直接接触，因此防止它们的形成至关重要。我们的指导现在可以对此做出贡献，”Chalmers物理系的熊士钊研究员说。
优化充电提供更安全的电池
控制锂在阳极上分布的因素有很多。在充电过程中发生的电化学过程中，锂金属的结构主要受电解液中电流密度、温度和离子浓度的影响。
研究人员通过模拟和实验来确定如何根据这些参数来优化电荷。目的是在锂金属阳极上形成致密、理想的结构。
“让电解液中的离子在充电过程中变成锂原子时，使它们自己排列得恰到好处是一个困难的挑战。我们对如何在不同条件下控制过程的新知识有助于提高锂金属电池的安全性和效率。”Chalmers物理系的AleksandarMatic教授说。
XNRGI的多孔硅阳极锂金属电池即将商业化
锂金属电池是由埃克森美孚化学家M.StanleyWhittingham在1970年代开发的。金属锂作为电池材料具有吸引力，因为它容易脱落电子并带正电的锂离子。但是事实证明，惠特汉姆的设计很难将其商业化：锂具有高反应活性，而他用于阴极的二硫化钛价格昂贵。Whittingham和其他研究人员在锂中添加了石墨，从而使锂能够嵌入并降低其反应性，并且他们以更便宜的材料交换了阴极。因此，锂离子电池诞生了。同时，带有锂金属阳极的电池似乎注定要成为锂离子电池的有趣注解。
但是总部位于华盛顿州博塞尔的XNRGI的目标是将锂金属电池带入主流。它的研发团队通过将金属锂沉积到硅基板上来驯服金属锂的反应性，该硅基板已被薄膜覆盖并被数百万个微小电池蚀刻。与传统的锂离子二维阳极相比，3D衬底大大增加了阳极的表面积。XNRGI首席执行官ChrisD'Couto说，当您考虑使用金属锂代替化合物时，XNRGI阳极的容量是传统插层石墨-锂阳极的10倍。
该公司预计今年将开始小批量商业化生产其锂金属电池，以交付给电动汽车和消费电子客户。去年，它与加拿大初创公司CrossBorderPower签署了组建合资企业的协议，以将其电池销售和分销给北美的公用事业客户。
当然，新的电池技术一直在发布，包括IEEESpectrum在内的技术新闻媒体都非常高兴地宣称其有前途的功能。但是，相对而言，在实验室中看似有希望甚至具有革命性意义的电池实际上却跃居了市场。
芝加哥附近阿贡国家实验室的储能专家文卡特·斯里尼瓦桑（VenkatSrinivasan）指出，任何新型电池的商业化都是一个复杂的前景。他说：“这取决于您要满足多少个指标。”对于电动汽车，理想的电池可提供数百公里的行驶距离，以分钟为单位的充电时间，宽泛的工作温度范围，10年的使用寿命以及碰撞安全性。当然，价格低廉。
Srinivasan说：“您拥有的指标越多，采用新电池技术满足所有指标的难度就越大。因此，您需要做出让步-也许电池可以使用10年，但续驶里程将受到限制，并且无法快速充电。”他补充说，不同的应用程序将具有不同的指标，并且“行业只希望查看至少与现有电池一样好的电池。”
D'Couto承认，要使XNRGI的电池商业化并不容易，但他说，有几个因素使该公司受益匪浅。它没有发明新的制造方法，而是借用了一些与芯片制造商用于制造集成电路的相同的久经考验的技术。其中包括将20x20微米的空腔蚀刻到硅中以及薄膜的施加。因此，电池的名称为：PowerChip。
D'Couto说，每个微观电池都可以视为微型电池。与刺穿锂离子电池时发生的灾难性故障不同，PowerChip的一个电池中的故障不会传播到周围的电池中。这些电池似乎也阻止了树枝状的形成，树枝状的生长可能导致电池失效。
对于部分锂离子电池，例如Enovix，Nexeon，SilaNanotechnologies和SiONPower制造的那些，也可以通过用硅代替阳极中的部分或全部石墨来实现更好的性能。在这些电池的阳极中，锂与硅嵌入，从而形成Li15Si4。
在XNRGI的PowerChip中，硅基板具有导电涂层，可充当集流体，并具有扩散阻挡层，可防止硅与锂相互作用。D'Couto说，锂金属阳极的容量大约是硅嵌入阳极的五倍。
XNRGI的大部分存在都被称为NeahPowerSystems，它专注于开发燃料电池。燃料电池使用了新型的多孔硅基板。但是燃料电池市场并没有腾飞，因此在2016年，该公司获得了能源部的拨款，可以使用相同的概念来制造锂金属电池。
XNRGI继续尝试可以跟上增压阳极的阴极设计。目前，该公司正在使用由钴酸锂和镍锰钴制成的阴极，这可以生产出容量是传统锂离子电池两倍的电池。它还使用客户提供的阴极制造样品电池。德库托说，诸如硫之类的替代材料可以进一步提高阴极性能。他说：“拥有高性能阳极而没有相应的高性能阴极不会最大化电池的全部潜力。”
Argonne的Srinivasan说：“像我这样的人梦想着有一天我们能完全解决所有电池问题。我希望每个人都驾驶电动汽车，每个人都在家中存放电池。我希望电气化。”
