電池通常表現(xiàn)為在杯、壺、罐、槽等容器的部分空間內(nèi)，放置電解質(zhì)溶液和金屬電極以產(chǎn)生電流，從而把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。目前，其概念已經(jīng)拓展到能產(chǎn)生電能的小型裝置，如太陽(yáng)能電池等。本書(shū)對(duì)氫能、生物質(zhì)能和太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)，各安排一章篇幅分別闡述，其中含有氫燃料電池、生物燃料電池和太陽(yáng)能電池等內(nèi)容。本章著重分析含鋰電池、固體氧化物燃料電池，以及其他金屬電池等。21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外在含鋰電池領(lǐng)域的研究主要集中在開(kāi)發(fā)不同材質(zhì)的新型含鋰電池、具有輕薄柔韌特點(diǎn)的新型含鋰電池、大容量高性能的鋰離子電池，以及用于電動(dòng)汽車的鋰離子電池；研制高性能鋰離子電池陽(yáng)極材料、高質(zhì)量鋰金屬電池陽(yáng)極材料、高強(qiáng)度鋰離子電池陰極材料及鋰離子電池其他配套材料。研發(fā)提高鋰離子電池儲(chǔ)能量和效率的新技術(shù)、提高鋰離子電池安全性的新技術(shù)；開(kāi)發(fā)降低鋰離子電池成本的新工藝、延長(zhǎng)鋰離子電池壽命的新工藝。燃料電池領(lǐng)域的研究主要集中在研制多材質(zhì)多用途的固體氧化物燃料電池、把熱能轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池、用于航海艦船的燃料電池；開(kāi)發(fā)微小型或便攜式燃料電池、高效能或高溫型的燃料電池；研制燃料電池催化劑，以及超薄電解片、無(wú)機(jī)復(fù)合材料和超級(jí)晶格材料等配套材料；開(kāi)發(fā)改善燃料電池性能和降低其成本的新技術(shù)。其他電池領(lǐng)域的研究主要集中在研制鈉電池、鋁電池、鎂電池、鈣電池等輕金屬電池，鎳電池、含銅電池、含銻電池等重金屬電池，以及貴金屬和金屬氧化物電池；還探索用無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料和核材料研制新型電池。

第一節(jié) 研制含鋰電池的新進(jìn)展

一、研制鋰電池和鋰離子電池的新成果

（一）開(kāi)發(fā)不同材質(zhì)的新型含鋰電池

1.開(kāi)發(fā)鋰空氣電池的新進(jìn)展

（1）研制出高性能的鋰空氣電池。2009年3月1日，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所發(fā)表新聞公報(bào)說(shuō)，來(lái)自該所和日本學(xué)術(shù)振興會(huì)研究人員組成的一個(gè)研究小組，研制出一種新型鋰空氣電池。專家指出，這種電池將來(lái)有望為車輛提供動(dòng)力。

研究人員說(shuō)，迄今報(bào)告的鋰空氣電池存在固體反應(yīng)生成物氧化鋰堆積到正極阻礙電解液與空氣接觸進(jìn)而導(dǎo)致電池放電中止等問(wèn)題。而最新研發(fā)的這種鋰空氣電池解決了這一問(wèn)題，大大提高了電池的放電性能。

據(jù)悉，研究人員在負(fù)極（金屬鋰）一側(cè)使用有機(jī)電解液，在正極（空氣）一側(cè)使用水性電解液，兩者之間用固體電解質(zhì)隔離，防止兩種電解液混合。中間的固體電解質(zhì)只有鋰離子能通過(guò)。新型鋰空氣電池放電反應(yīng)生成的固體物質(zhì)不是氧化鋰，而是易溶于水性電解液的氫氧化鋰。這樣就不會(huì)引起正極的碳孔被堵塞，從而解決了以往鋰空氣電池固體反應(yīng)生成物，阻礙電解液與空氣接觸的問(wèn)題。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員分別用堿性水溶性凝膠和堿性水溶液作正極的電解液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種新型鋰空氣電池的放電性能都比以往該類型電池大幅提高，特別是如果用堿性水溶液作正極電解液可使電池在空氣中以0.1安培/克的放電率放電，那么電池可連續(xù)放電20天。

研究人員說(shuō)，這種新型鋰空氣電池?zé)o須充電，只需更換正極的水性電解液，通過(guò)卡盒等方式更換負(fù)極的金屬鋰就可以連續(xù)使用。正極生成的氫氧化鋰可以從使用過(guò)的水性電解液中回收，再提煉出金屬鋰，金屬鋰則可再次作為燃料循環(huán)使用。研究人員表示，這種新型鋰空氣電池，將來(lái)有望發(fā)展成“金屬鋰燃料電池”。

（2）開(kāi)發(fā)出能量密度提高3倍的碳纖維鋰空氣電池。2011年7月，麻省理工學(xué)院機(jī)械工程和材料科學(xué)與工程系楊紹紅教授領(lǐng)導(dǎo)，該系研究生羅伯特·米切爾、貝塔·加蘭特等人參加的一個(gè)研究小組，在《能源和環(huán)境科學(xué)》雜志上發(fā)表論文稱，他們研制出一種新式碳纖維鋰空氣電池，其能量密度是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于手機(jī)、汽車中可充電鋰離子電池的4倍。

2010年，該研究小組通過(guò)使用稀有金屬晶體，改進(jìn)了鋰空氣電池的能量密度。從理論上來(lái)講，鋰空氣電池的能量密度大于鋰離子電池，因?yàn)樗靡粋€(gè)多孔的碳電極取代了笨重的固態(tài)電極，碳電極能通過(guò)從漂過(guò)其上方的空氣中捕獲氧氣來(lái)存儲(chǔ)能量，氧氣與鋰離子結(jié)合在一起會(huì)形成氧化鋰。

最新研究朝前邁進(jìn)了一步，制造出的碳纖維電極比其他碳電極擁有更多孔隙，因此，當(dāng)電池放電時(shí)，有更多孔隙來(lái)存儲(chǔ)固體氧化鋰。

米切爾說(shuō)：“我們利用化學(xué)氣相沉積過(guò)程，種植了垂直排列的碳納米纖維陣列，這些像毯子一樣的陣列，就是導(dǎo)電性高、密度低的儲(chǔ)能‘支架’。”

加蘭特解釋道，在放電過(guò)程中，過(guò)氧化鋰粒子會(huì)出現(xiàn)在碳纖維上，碳會(huì)增加電池的重量，因此，讓碳的數(shù)量最小、為過(guò)氧化鋰留出足夠的空間非常重要，過(guò)氧化鋰是鋰空氣電池放電過(guò)程中形成的活性化學(xué)物質(zhì)。

楊紹紅表示：“我們新制造出的像毯子一樣的材料，擁有90%以上的孔隙空間，其能量密度是同樣重量的鋰離子電池的4倍。而2010年我們已經(jīng)證明，碳粒子能被用來(lái)為鋰空氣電池制造有效的電極，但那時(shí)的碳結(jié)構(gòu)只有70%的孔隙空間。”

研究人員指出，因?yàn)檫@種碳纖維電極碳粒子的排列非常有序，而其他電極中的碳粒子非常混亂，因此，比較容易使用掃描式電子顯微鏡來(lái)觀察這種電極在充電中間狀態(tài)的行為，這有助于他們改進(jìn)電池的效能，也有助于解釋為什么現(xiàn)有系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)多次充電放電循環(huán)后，性能會(huì)下降。但把這種碳纖維鋰空氣電池商品化還需進(jìn)一步研究。

（3）通過(guò)項(xiàng)目形式推進(jìn)研制高質(zhì)量的鋰空氣電池。2012年4月23日，《日刊工業(yè)新聞》報(bào)道，日本旭化成公司和中央硝子公司兩家企業(yè)，開(kāi)始參加美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司阿爾馬登研究中心正在進(jìn)行的高質(zhì)量鋰空氣電池研究項(xiàng)目。

鋰空氣電池作為新一代大容量電池而備受矚目。其工作原理是用金屬鋰做負(fù)極，由碳基材料組成的多孔電極做正極，放電過(guò)程中，鋰在負(fù)極失去電子成為鋰離子，電子通過(guò)外電路到達(dá)多孔正極，并將空氣中的氧氣還原，向負(fù)載提供能量；充電過(guò)程正好相反，鋰離子在負(fù)極被還原成金屬鋰。

由于鋰空氣電池使用了碳基電極和空氣流替代鋰離子電池較重的傳統(tǒng)部件，因此電池重量更輕，其性能是鋰離子電池的10倍。搭載鋰空氣電池的電動(dòng)汽車充電一回可行駛800千米。但目前的有關(guān)研究中存在電解質(zhì)揮發(fā)問(wèn)題、空氣腐蝕、高效氧還原催化劑等技術(shù)難關(guān)。

按該項(xiàng)目研究分工，旭化成公司將利用其掌握的先進(jìn)膜技術(shù)負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)重要的有關(guān)膜部件；中央硝子公司負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)新型電解液和高性能添加劑。研究小組計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)鋰空氣電池的大量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。

（4）開(kāi)發(fā)多方面改善性能的鋰空氣電池。2012年7月，有關(guān)媒體報(bào)道，日本中央大學(xué)大石克嘉教授主持的一個(gè)研究小組，成功開(kāi)發(fā)出能有效消除鋰空氣電池中二氧化碳成分的技術(shù)，大幅提升了這種電池的性能。

金屬空氣電池是下一代電池發(fā)展的重要方向，其原理為利用金屬與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)而放電。理論上金屬空氣電池的容量可以3倍于普通鋰離子電池。不過(guò)，反應(yīng)時(shí)很容易吸收空氣中的二氧化碳，而二氧化碳會(huì)導(dǎo)致電解液的劣化和電池性能的下降。

該技術(shù)是在直徑約5毫米的硅棒或銅棒外包裹兩層金屬薄膜材料，內(nèi)層為氧化硅或氧化銅，外層為用以吸收二氧化碳的氧化鋰。氧化鋰通電后溫度上升至700℃，將二氧化碳釋放到外界。利用這種裝置，基本上可以去除空氣中含量?jī)H為0.04%的二氧化碳。通過(guò)外層氧化鋰對(duì)二氧化碳成分的不斷吸收和放出，電池就可反復(fù)高效使用。

大石教授希望用半年到一年的時(shí)間，把裝置的直徑減小到1毫米左右，實(shí)現(xiàn)裝置的小型化和實(shí)用化。他還計(jì)劃把該裝置加工成螺旋狀，通過(guò)加大其表面積更加有效地吸收二氧化碳。

2.研發(fā)鋰硫電池的新進(jìn)展

（1）應(yīng)用納米技術(shù)研發(fā)新型鋰硫電池。2012年5月，有關(guān)媒體報(bào)道，德國(guó)慕尼黑大學(xué)和加拿大滑鐵盧大學(xué)聯(lián)合組成的一個(gè)國(guó)際研究小組，研發(fā)新型鋰硫電池取得重大進(jìn)展。研究人員應(yīng)用納米技術(shù)對(duì)鋰硫電池技術(shù)進(jìn)行重大改進(jìn)，使用碳納米微粒構(gòu)成多孔電極，使其吸附硫的能力大大增強(qiáng)，電池達(dá)到最高的性能，未來(lái)有望替代目前的鋰離子電池。

鋰硫電池兩個(gè)電極由鋰電極和硫碳電極構(gòu)成，在兩個(gè)電極之間進(jìn)行鋰離子交換，硫材料在這個(gè)系統(tǒng)中起重要作用。理想情況下每個(gè)硫原子可以接受兩個(gè)鋰離子，由于硫的重量輕，是一種非常理想的儲(chǔ)能材料，同時(shí)硫本身不導(dǎo)電，因此在充放電過(guò)程中電子不易遷移流失。

此項(xiàng)研發(fā)成果的關(guān)鍵是，研究人員把硫材料制成了表面積盡可能大的，能接受電子的電極材料。同時(shí)，又將其與導(dǎo)電的基體材料對(duì)接。

為此，研究人員用碳納米微粒制成一種多孔結(jié)構(gòu)的支架，這種碳納米微粒多孔結(jié)構(gòu)具有十分獨(dú)特的表面性能，其空隙率達(dá)到2.32厘米3/克，比表面積達(dá)到2445米2/克，也即在一小塊方糖大小的材料中，具有與10個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)相當(dāng)?shù)谋砻娣e。在孔徑只有3～6納米的孔隙中，硫原子可以非常均勻地分布，因此幾乎所有硫原子都有與鋰離子接觸并將鋰離子接受的可能，同時(shí)這些硫原子又與具有導(dǎo)電性的碳材料緊密相連，因此分布在這種多孔碳納米微粒中的硫材料具有了優(yōu)良的電性能并且非常穩(wěn)定，其儲(chǔ)存電能密度達(dá)到1200mAh/克，并且循環(huán)充放電性能良好。

碳納米多孔結(jié)構(gòu)還可以有效解決所謂“多硫化物”問(wèn)題，多硫化物是電解過(guò)程的中間產(chǎn)物，對(duì)電池的充放電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因?yàn)樘技{米多孔結(jié)構(gòu)可以吸附這種有害中間產(chǎn)物，待其轉(zhuǎn)化為無(wú)害的二鋰硫化物后釋放。

（2）通過(guò)新型電極研發(fā)高性能鋰硫電池。2012年6月12日，德國(guó)弗勞恩霍夫材料與射線技術(shù)研究所與合作伙伴弗勞恩霍夫化工技術(shù)研究所和德國(guó)基爾大學(xué)聯(lián)合組成的一個(gè)研究小組，在德累斯頓市舉辦的第九屆國(guó)際納米技術(shù)研討會(huì)上，展示了他們研發(fā)的基于碳納米管的含硫電極材料。該材料被應(yīng)用在鋰硫電池中，可以獲得高達(dá)900毫安時(shí)/克的質(zhì)量比容量。

越來(lái)越多的移動(dòng)應(yīng)用，促使電能儲(chǔ)存成為當(dāng)今的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而大多數(shù)應(yīng)用的瓶頸是電池系統(tǒng)的能量密度，它在很大程度上決定了充電后的使用時(shí)間。為了顯著改進(jìn)現(xiàn)有電池系統(tǒng)的性能，研究人員不斷進(jìn)行電極材料的研發(fā)。這其中，硫被視為一種非常有潛力的材料。硫的理論比容量超過(guò)1600毫安時(shí)/克。

用硫做電池的陰極，比以前使用的電極有明顯的優(yōu)點(diǎn)：一方面是通過(guò)高的含硫量獲得更高的能量密度。另一方面，硫是一種廉價(jià)、無(wú)毒、儲(chǔ)量豐富的資源。但是，硫?qū)щ娦院艿停仨毐环胖迷趯?dǎo)電的凹模中，并盡可能在納米尺度上接觸，才可以在電化學(xué)中使用。

該研究小組利用碳納米管巨大的比表面積與良好的導(dǎo)電性等特性，采用特殊的生產(chǎn)工藝，造出基于碳納米管的含硫電極。他們用一種簡(jiǎn)單的涂層方法，使垂直排列的碳納米管直接在金屬基板（如鋁、鎳、不銹鋼）上面成長(zhǎng)，然后把硫滲透進(jìn)這種結(jié)構(gòu)中，形成所謂的硫納米森林，在完全不加黏合劑或其他添加劑的情況下，得到了穩(wěn)定而且結(jié)構(gòu)緊湊的電極。

該研究小組把這些材料應(yīng)用在鋰硫電池中，進(jìn)一步測(cè)試其性能。目前的結(jié)果表明，滲入適當(dāng)?shù)牧蛞院螅虏牧峡梢缘玫教貏e高的電池容量，基于硫的質(zhì)量計(jì)算，能達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1300毫安時(shí)/克。而根據(jù)硫碳復(fù)合材料的質(zhì)量計(jì)算，也能達(dá)到900毫安時(shí)/克，遠(yuǎn)高于其他含有黏結(jié)劑的電極。

（3）研制能量密度為傳統(tǒng)電池4倍的全固態(tài)鋰硫電池。2013年6月，美國(guó)能源部下屬的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室梁誠(chéng)督領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組，在德國(guó)《應(yīng)用化學(xué)》國(guó)際版上發(fā)表研究成果稱，他們?cè)O(shè)計(jì)出了一種全新的全固態(tài)鋰硫電池，其能量密度約為目前電子設(shè)備中廣泛使用的鋰離子電池的4倍，且成本更低廉。

梁誠(chéng)督表示：“新電池中用到的電解質(zhì)也是固體，這種設(shè)計(jì)思路完全顛覆了已延續(xù)150年到200年的兩個(gè)電極加一堆電解液的固有電池概念，也解決了其他化學(xué)家一直擔(dān)心的易燃問(wèn)題。”

幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直很看好鋰硫電池，它比鋰離子電池效率高且成本低。但壽命短是其最大弱點(diǎn)，因此一直未被商用。另外，電池內(nèi)使用液體電解質(zhì)也成為科學(xué)家們的桎梏。一方面，液體電解質(zhì)會(huì)通過(guò)溶解多硫化物，從而幫助鋰離子在電池中傳導(dǎo)。但另一方面，不利的是這一溶解過(guò)程會(huì)使電池過(guò)早地被損壞。

現(xiàn)在，該研究小組的新設(shè)計(jì)方法清除了這些障礙。首先，他們合成出一種富含硫的新物質(zhì)，并把它作為電池的陰極。它能傳導(dǎo)鋰離子和傳統(tǒng)電池陰極中使用的硫金屬鋰化物，隨后，再把它與由鋰制成的陽(yáng)極以及固體電解質(zhì)結(jié)合在一起，制造出這種能量密度大的全固態(tài)電池。

梁誠(chéng)督表示：“電解質(zhì)由液體變成固體這一轉(zhuǎn)變消除了硫溶解的問(wèn)題，而且，由于液體電解質(zhì)容易同鋰金屬發(fā)生反應(yīng)，所以新電池使用固體電解質(zhì)后安全性也更高。另外，新鋰硫電池中使用的硫是處理石油后剩下的副產(chǎn)品，來(lái)源豐富且成本低廉，也能存儲(chǔ)更多能量，這就使新電池具有成本低廉、能量密度大等優(yōu)點(diǎn)。”