姬立文表示：“對(duì)這個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，錫薄膜形成這些錫納米柱非常重要。而且，我們也發(fā)現(xiàn)，最上層石墨烯和最底層石墨烯之間的距離握，也會(huì)不斷變化，以適應(yīng)錫層高度的變化。”

新納米復(fù)合材料中石墨烯層之間的高度變化，會(huì)對(duì)電池的電化學(xué)循環(huán)有所改善，錫高度的變化會(huì)改進(jìn)電極的性能。另外，這種適應(yīng)性也意味著電池能被快速地充電，而且重復(fù)充放電也不會(huì)降低其性能，這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)的可充電電池來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。

（4）研制成性能優(yōu)異的“沙基鋰離子電池”。2014年7月，美國(guó)加州大學(xué)河濱分校在讀研究生扎卡里·費(fèi)沃斯主持的一個(gè)研究小組，在《自然·科學(xué)報(bào)告》雜志上發(fā)表論文稱(chēng)，他們開(kāi)發(fā)出一種新型鋰離子電池，其性能和使用壽命，比普通鋰離子電池高出3倍以上。更讓人稱(chēng)奇的是，制造這種電池所需的主要原料，既不是什么“高大上”的石墨烯，也不是什么稀有珍貴的化合物，而是普通得不能再普通的沙子。研究人員稱(chēng)，新技術(shù)有望打破，目前智能手機(jī)等電子產(chǎn)品所面臨的電池瓶頸，讓一天一充成為歷史。

費(fèi)沃斯稱(chēng)，他是半年前在加利福尼亞州圣克萊門(mén)特的一處海灘邊沖浪時(shí)，萌生用沙子制造電池這一靈感的。他的主要研究方向是為個(gè)人電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)出性能更好的鋰離子電池，當(dāng)時(shí)正在為新型電池尋找理想的陽(yáng)極材料。

目前，絕大多數(shù)的鋰離子電池都采用石墨作為陽(yáng)極，但是隨著科技的進(jìn)步，石墨作為陽(yáng)極的潛能幾乎已經(jīng)被開(kāi)發(fā)殆盡。不少科學(xué)家都開(kāi)始尋找更好的替代材料，其中納米尺度的硅就是重要的一種。但隨后人們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法制造出的納米硅極易發(fā)生降解，且難以大規(guī)模生產(chǎn)，無(wú)法滿足電池商業(yè)化生產(chǎn)的需要。

費(fèi)沃斯希望由石英和二氧化硅構(gòu)成的沙子，能幫助他解決這兩個(gè)難題。他把沙子帶回了實(shí)驗(yàn)室，將它們研磨成納米尺度大小，隨后又進(jìn)行了一系列純化步驟，這些沙子逐漸從棕色變?yōu)榱嗣髁恋陌咨拖窬d白糖一樣。而后，他又將鹽和鎂以同樣的方法進(jìn)行研磨，再將這三種物質(zhì)混合起來(lái)進(jìn)行加熱。在加熱的過(guò)程中鹽和鎂能夠幫助石英去除氧，得到純納米硅。而讓他驚喜的是，與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)出的純硅不同，這種純納米硅具有海綿一樣的3D多孔結(jié)構(gòu)，且極為穩(wěn)定。這種多孔結(jié)構(gòu)，已經(jīng)被證明是提高納米硅電池性能的關(guān)鍵。

實(shí)驗(yàn)顯示，用這種納米硅電極制成的新型電池，可將目前電動(dòng)汽車(chē)的預(yù)期壽命提高至少3倍以上。而如將其用于智能手機(jī)電池，則有望將一天一充變成三天一充。目前，費(fèi)沃斯研究小組正在試圖用沙子生產(chǎn)出更多的納米硅，并計(jì)劃為手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備，制造出體積更小容量更大的電池。

（二）開(kāi)發(fā)具有輕薄柔韌特點(diǎn)的新型含鋰電池

1.研制輕薄可彎曲鋰電池的新進(jìn)展

（1）研制出如紙般輕薄型鋰電池。2007年8月，美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院，化學(xué)家羅伯特·林哈德、材料學(xué)家普利克爾·阿加延以及工程師奧姆卡拉·納拉馬蘇領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上發(fā)表研究論文稱(chēng)，他們近日研制成功一種紙般輕薄的鋰電池。該種電池有望成為一種集柔韌、便宜及環(huán)保于一身的新型能源。

傳統(tǒng)的電池具有三個(gè)要素：由陰陽(yáng)離子組成的電解液、兩個(gè)由不同材料構(gòu)成的電極以及一個(gè)能讓陰陽(yáng)離子通過(guò)向相反方向運(yùn)動(dòng)的隔離膜。很多科學(xué)家都曾試圖制造體積更小、更柔韌的電池，但均未取得大的突破。很大一部分原因在于，很難將電池的這幾個(gè)要素組合到更薄的材料中去。

在這項(xiàng)研究中，該研究小組把纖維素作為了新的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。他們將用來(lái)造紙的纖維素溶解在鹽溶液里，加入碳納米管并使混合物干燥。由此產(chǎn)生一種似紙的薄膜，一面為白色，另一面因含有碳納米管而呈現(xiàn)黑色。研究小組接下來(lái)用六氟磷酸鋰溶液將纖維素浸濕，并用金屬鋰覆蓋薄膜的白色面。一種新型紙電池誕生了，碳納米管和金屬鋰分別代表兩個(gè)電極，所用溶液提供了電解液，而纖維素的作用就類(lèi)似于隔離膜。

在2伏的電壓下，這種新型紙電池每克能產(chǎn)生10毫安的電流。研究人員用這種電池能夠帶動(dòng)電扇及點(diǎn)亮二極管燈泡。若將多個(gè)這種電池疊放在一起，能量也會(huì)成倍增加。林哈德表示，與其他類(lèi)的柔韌電池不同，這種紙電池是十分完整的。

這種電池的好處還有很多。在零下70～150℃的溫度區(qū)間，它都能正常使用。它保留了紙的柔韌性，又因?yàn)?0%都是纖維素，所以批量生產(chǎn)將十分便宜。另外，它的毒性很小，很適合在起搏器等醫(yī)療器械上使用。

加拿大艾伯特大學(xué)的電子工程師杉迪盤(pán)·普拉馬尼克對(duì)此項(xiàng)發(fā)明評(píng)價(jià)甚高，稱(chēng)其十分鼓舞人心。他認(rèn)為，該種新型電池也將會(huì)給手機(jī)和筆記本電腦提供更好的能源，不過(guò)研究人員還需要找到一種合適的大規(guī)模生產(chǎn)的方法。

（2）發(fā)明可像印刷報(bào)紙一樣生產(chǎn)的超薄鋰離子電池。2009年7月6日，《每日科學(xué)》網(wǎng)站報(bào)道，德國(guó)開(kāi)姆尼茨弗勞恩霍夫研究所的萊因哈德·鮑曼教授和Menippos公司的專(zhuān)家組成了一個(gè)研究小組，研制出一種可通過(guò)印刷方法生產(chǎn)的高效能電池，它不但價(jià)格便宜，而且外形小巧，厚度不到1毫米，質(zhì)量不到1克。

很長(zhǎng)一段時(shí)間里，電池一直是笨重的。現(xiàn)在，這種新型超薄電池將引起一場(chǎng)電池領(lǐng)域的革命。研究人員通過(guò)利用納米技術(shù)將普通鋰離子電池縮小并封閉到一張纖維素紙張上。它的厚度不到1毫米，質(zhì)量不到1克，還能像印刷報(bào)紙那樣“印刷”電池，廉價(jià)地大規(guī)模生產(chǎn)這種高效電池。

鮑曼說(shuō)：“我們的目標(biāo)，是能夠低成本地大規(guī)模生產(chǎn)這種電池，成本最好是以美分計(jì)算。”

可印刷電池與普通電池有很大的不同。因?yàn)樗诺教炱匠由喜坏?克，厚度還不到1毫米，因此可以將其嵌入銀行卡。電池不含有汞，十分環(huán)保。其電壓為1.5伏，屬于正常電壓范圍。可以將電池堆疊起來(lái)提高電壓，得到3伏、4.5伏和6伏的電池，為任何電子產(chǎn)品提供電能。這種新型電池由不同層次組成：鋅陽(yáng)極和錳陰極等。鋅和錳發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電力。然而，陽(yáng)極和陰極層在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中逐漸消失。因此，該電池的壽命是有限的。

該款電池采用絲網(wǎng)印刷方式生產(chǎn)，類(lèi)似于制造T恤衫。單層比頭發(fā)絲還薄。研究人員已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出這款電池。預(yù)計(jì)到2009年年底，第一批產(chǎn)品可能會(huì)生產(chǎn)出來(lái)并投入市場(chǎng)。

（3）印刷形成超薄可彎曲全固體鋰聚物充電電池。2010年5月，《日經(jīng)電子》報(bào)道，三重縣產(chǎn)業(yè)支援中心、三重大學(xué)新一代電池開(kāi)發(fā)中心、三重縣工業(yè)研究所、鈴鹿工業(yè)高等專(zhuān)業(yè)學(xué)校、金生興業(yè)等單位組成的一個(gè)研究小組，正在開(kāi)發(fā)以超薄可彎曲為特點(diǎn)的片狀鋰聚合物充電電池。該電池為使用固體電解質(zhì)的全固體型，著火及爆炸的可能性大幅降低。另外，還可利用基于印刷技術(shù)的卷對(duì)卷工藝進(jìn)行制造也是其一大特點(diǎn)。

對(duì)片狀全固體鋰聚合物充電電池的試制線考察發(fā)現(xiàn)，試制線大體分為兩部分，一部分是三重大學(xué)新一代電池開(kāi)發(fā)中心內(nèi)的設(shè)施；另一部分是三重縣產(chǎn)業(yè)支援中心先進(jìn)材料創(chuàng)新中心內(nèi)的設(shè)施。首先利用前一設(shè)施分別制造帶正極層的樹(shù)脂片材和帶負(fù)極層及固體電解質(zhì)層的樹(shù)脂片材，然后再用后一設(shè)施對(duì)這些片材進(jìn)行黏合，并實(shí)施向疊層內(nèi)封裝。

三重大學(xué)新一代電池開(kāi)發(fā)中心內(nèi)的設(shè)施，通過(guò)事先將室內(nèi)露點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)至零下40℃的干燥狀態(tài)，徹底排除水分后，可形成電極層及電解質(zhì)層等。設(shè)施內(nèi)設(shè)有在樹(shù)脂片材上涂布電極層及電解質(zhì)層的裝置，以及在涂布后對(duì)各層進(jìn)行改質(zhì)的電子射線照射裝置等。

各層的形成工序按如下步驟進(jìn)行。首先在樹(shù)脂片材上涂布負(fù)極材料并于干燥后照射電子射線，接著在涂布電解質(zhì)層材料并干燥后照射電子射線。正極層是在另一樹(shù)脂片材上涂布正極材料并干燥后照射電子射線。涂布用的電解質(zhì)材料，由聚環(huán)氧乙烷類(lèi)高分子材料混合交聯(lián)劑制成。在電子射線照射下，高分子材料便會(huì)交聯(lián)。負(fù)極材料及正極材料中，除活性物質(zhì)外還混入了高分子材料，通過(guò)照射電子射線實(shí)現(xiàn)交聯(lián)。正極使用LiFePO?與碳等的復(fù)合體，負(fù)極使用Li?Ti?O??與石墨及硅的復(fù)合體。

厚度方面，帶負(fù)電極層和電解質(zhì)的樹(shù)脂片材，只有70多微米。帶正電極層的樹(shù)脂片材為30微米左右，兩張片材黏合后僅為100微米左右。

在新一代電池開(kāi)發(fā)中心進(jìn)行電極層及電解質(zhì)層成膜后的樹(shù)脂片材，接下來(lái)被運(yùn)至三重縣產(chǎn)業(yè)支援中心先進(jìn)材料創(chuàng)新中心，組裝成片狀全固體鋰聚合物充電電池。試制室的露點(diǎn)濕度為零下30℃左右，在極力排除水分后形成了可試制電池的狀態(tài)。

從新一代電池開(kāi)發(fā)中心運(yùn)抵的各片材首先會(huì)被裁切成所希望的尺寸。目前可試制的尺寸為B5、A6、A7及A8。這是由試制裝置的尺寸所決定的，但反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果能夠使用更大尺寸的裝置，還可實(shí)現(xiàn)超過(guò)B5的大尺寸片狀全固體鋰聚合物充電電池。

接著，把裁切好的片材置于真空狀態(tài)（-0.1兆帕左右）下進(jìn)行加熱（80～200℃），用大約8小時(shí)來(lái)排除各層中的水分。干燥后，將負(fù)極+固體電解質(zhì)的片材與正極片材以固體電解質(zhì)層與正極層接合的狀態(tài)進(jìn)行粘合，并封裝到疊層內(nèi)。在真空狀態(tài)下（-0.1兆帕左右）對(duì)疊層周?chē)M(jìn)行壓接，最后對(duì)作為電池端子的電極進(jìn)行超聲波焊接，即可形成片狀電池。封裝到疊層后的電池厚度為450微米。

（4）研制出電量可提升3倍的超薄鋰離子電池。2013年12月，日本媒體報(bào)道，日本積水公司一個(gè)研究小組，研發(fā)出新型的超薄鋰離子電池，它與傳統(tǒng)的蓄電池相比，不僅在蓄電能力上是原來(lái)的3倍，同時(shí)具有更安全、充電速度更快等特點(diǎn)。這種電池通過(guò)特定的涂層，可以更好地把電力通過(guò)真空灌注等方式，呈現(xiàn)出高性能固化電解質(zhì)物質(zhì)，比原來(lái)傳統(tǒng)的蓄電池?fù)碛懈鼜?qiáng)的蓄電能力。

另外，除了蓄電能力大幅提升，新型的電池還具備可彎曲和超薄等特點(diǎn)，可以覆蓋到大部分物體的表面。它可以適應(yīng)任何環(huán)境的要求，并且非常節(jié)省空間。設(shè)備商們可以根據(jù)不同的應(yīng)用范圍和使用領(lǐng)域，定制不同的形狀。這種新型電池，可以完全融入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念中，與產(chǎn)品渾然一體，并且自由組合。

目前，普通的電動(dòng)汽車(chē)一般搭載20千瓦的蓄電池，僅電池成本就高達(dá)12萬(wàn)元人民幣。采用該技術(shù)后，電池成本將下降60%，每千瓦生產(chǎn)成本將從5940元人民幣，下降到1780元人民幣。汽車(chē)廠商指出，若電池成本降到每千瓦1780元人民幣，電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格將和普通汽車(chē)持平，并且在充滿電后續(xù)航里程將達(dá)到600千米，與普通的汽車(chē)相比并不遜色。

積水公司表示，這種新型電池將會(huì)在幾周之后的東京國(guó)際展覽中心正式對(duì)外發(fā)布，并且公司未來(lái)還會(huì)不斷針對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)和改良；同時(shí)，會(huì)在2014年夏季正式向全球的電池廠商提供測(cè)試材料樣品，努力在2015年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。看來(lái)，至少這種新興的電池產(chǎn)品未來(lái)將會(huì)給電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)非常巨大的影響。

2.研制可折疊可伸縮鋰電池的新進(jìn)展

（1）研制可用折疊提高能量密度的紙基鋰離子電池。2013年10月，美國(guó)亞利桑那大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授坎迪斯·詹等人組成的一個(gè)研究小組，在《納米快報(bào)》上發(fā)表論文稱(chēng)，他們開(kāi)發(fā)出一種紙基鋰離子電池，能做多次對(duì)折或其他形狀的折疊，由于折疊后變得更小，表面能量密度和電容可增加14倍。這種折疊紙基電池柔韌靈活，成本低，可輥軸制造，有望進(jìn)一步開(kāi)發(fā)為多用途的高性能電池。

傳統(tǒng)鋰離子電池是用鋰基粉末作電極，而這種折疊鋰離子電池是用碳納米管（CNT）墨水作電極，用纖薄透氣的實(shí)驗(yàn)室用薄紙巾作基底，并涂上一層聚偏二氟乙烯涂層增強(qiáng)碳納米管墨水和紙基間的黏附力。最后，電池顯示出優(yōu)良的導(dǎo)電性和相對(duì)穩(wěn)定的電容。

研究人員對(duì)電池進(jìn)行了折疊實(shí)驗(yàn)，先簡(jiǎn)單對(duì)折，然后用更復(fù)雜的形狀進(jìn)行折疊成型。簡(jiǎn)單對(duì)折一次、兩次和三次后，其表面能量密度和電容分別比未折疊的平面電池提高1.9倍、4.7倍和10.6倍；用復(fù)雜形狀折疊則效率更高：把一張6厘米×7厘米的紙電池折成25層后，整體面積只有1.68平方厘米，而表面能量密度和電容均增加到14倍。

坎迪斯·詹解釋說(shuō)：“我們用‘面’密度，來(lái)表示每英寸打印面積上能量密度的增加，這與質(zhì)量的能量密度不同。因?yàn)殡姵卦谡郫B和展開(kāi)時(shí)質(zhì)量不會(huì)變，所以‘面’密度能更清楚地表明我們指的是哪種密度。”

隨著幾何折疊算法、計(jì)算機(jī)工具和機(jī)器人操作的發(fā)展，更復(fù)雜的折疊類(lèi)型，將會(huì)開(kāi)發(fā)出大規(guī)模制造，并用于商業(yè)用途。坎迪斯·詹說(shuō)，將折紙概念與紙基能源存儲(chǔ)設(shè)備結(jié)合，會(huì)帶來(lái)形狀、幾何設(shè)計(jì)以及功能上的更新，這方面有著無(wú)窮的可能性。未來(lái)將開(kāi)發(fā)出電源及其他組件集成為一體的可折疊設(shè)備。