二、開發含鋰電池配套材料的新成果

（一）含鋰電池電極材料研制的新進展

1.研制高性能鋰離子電池陽極材料的新成果

（1）研制出由病毒構成的鋰離子電池陽極。2006年4月7日，美國麻省理工學院材料科學工程與生物工程教安吉拉·貝爾徹、材料科學工程教授江葉明、化學工程教授保拉·哈蒙德，以及材料科學工程研究生基泰南姆等人組成的一個研究小組，在《科學》雜志網絡版發表論文稱，他們利用病毒的特殊結構，研制出一種極細的納米線，它能用于鋰離子電池中。他們通過控制病毒中的基因，誘使病毒生長并自動組裝成為一種功能電子學元件，成為鋰離子電池陽極。

研究人員表示，這項研究的目的是要研制出在盡可能小或輕的電池中儲存盡可能多的電能。他們發明的這種電池陽極，可以制成從米粒到助聽器電池的各種大小的電池。

電池都是由被電解質隔開的兩個電極組成的。在這項研究中，研究人員使用了一種非常復雜的方法制造陽極。他們在實驗室中控制一種常見的病毒基因，使微生物可以不斷聚集氧化鈷和金。因為這些病毒帶負電，所以它們可以在帶正電的聚合物表面鋪成非常薄的柔軟膜。這種致密的病毒膜可以作為電池的陽極。病毒在聚合物表面排列成的細線直徑只有6納米，長度有880納米。

貝爾徹表示，這項研究是基于如下發現：鮑魚分泌的一種蛋白質可迫使碳酸鈣分子定向排列，形成鮑魚堅硬的外殼。受到這一啟發，貝爾徹等人通過基因工程培養出攜帶這種特異蛋白的病毒，這種蛋白不但可以讓病毒首尾相接地連成一線，而且還能在病毒外層制造一種特殊的分子。這種分子能自動攫取鈷離子和金粒子使他們包裹在“病毒鏈”上。

貝爾徹說：“我們可以做出更大直徑的納米線，但是都只能是880納米長。一旦我們可以改變病毒基因生長電極材料的過程，我們就能簡單地用很多完全相同的病毒樣本組裝成真實的電池?！彼€說：“對于金屬氧化物，我們選擇了氧化鈷，因為它的電容量非常大，這意味著制成的電池有很大的能量密度，相對于以前使用的電池，相同大小和重量的新電池的能量密度是它的兩到三倍。另外，加入金是為了進一步提高納米線的能量密度?！绷硪粋€重要的優勢在于，該納米線在室溫常壓下就能制成，而不需要昂貴的高壓設備。

能量密度是電池的非常重要的一個指標。能量密度低是電動汽車發展中主要的障礙，因為相對于汽油來說，電池太重，提供的能量也太少了。盡管如此，電池技術仍然在不斷改進，也許某一天就能與不斷上漲的油價競爭。

這項研究最初的想法，是從“納米結構材料可以改進鋰離子電池的電化學性能”中產生的。貝爾徹說：“氧化鈷有非常好的電化學循環性質，所以可以考慮作為鋰離子電池中的電池。”在早期的研究中，她和同事們發現，微生物可以識別正確的分子并把它們組裝起來。哈蒙德說：“利用自組裝過程中病毒功能性質的靜電學本質，我們可以制出井然有序排列的薄膜，它結合了病毒和聚合物系統兩者的功能?！?

（2）開發可用于提高鋰電池容量及穩定性的陽極新材料。2007年5月8日，美國能源部阿貢國家實驗室科學家組成的研究小組，在芝加哥舉行的美國電化學學會第211屆會議上報告說，他們發現了一種提高可充電鋰鐵電池的容量以及穩定性的新方法。

這一技術基于一種用于陽極的新型材料，它由獨特的納米晶體組成的層狀結構構成。阿貢實驗室使用了兩種成分構成的復合結構：其中一種性質活躍的成分提供電池的容量，它被植入一種惰性的成分中，惰性成分提供結構的穩定性。

在最近的測試中，這種新材料表現出了令人驚訝的大容量，超過了250毫安時/克，這是傳統的可充電鋰電池所用材料容量的2倍多。在電化學會議上，研究人員討論了解釋這一富含錳元素的電極，擁有如此大容量的原因，也討論了在充放電循環中，它們表現出的穩定性。

除此之外，用這種含有錳元素的體系替代更貴的含有鈷、鎳等成分的充電電池，電池制造的成本將得到降低。

可充電的鋰鐵電池將使用這一新材料來提升其容量及穩定性?？梢灶A期的是，這一新技術將被用于很多領域，從消費電子產品，如手機、筆記本電腦，到無線設備，以及醫療儀器例如心臟起搏器和心臟去纖顫器等。在更大型的電池方面，這一技術可被用于下一代的混合型電汽車等。

（3）研制出可防止鋰離子電池退化的陽極復合材料。2011年2月11日，美國物理學家組織網報道，新加坡科學技術研究局化學工程研究所的研究小組，研發出一種可減少電極退化的新技術，進而可延長鋰離子電池的使用壽命和容量保持率。

該技術使用了一種豌豆莢結構的復合材料。這種材料由氧化鈷（四氧化三鈷）納米顆粒（類似于豌豆莢中的豌豆）與納米碳纖維（類似于覆蓋在豌豆外的豆殼）組成。氧化鈷納米顆粒作為活性材料來存儲鋰離子，四周的中空碳纖維，則可以起到保護氧化鈷顆粒防止其斷裂的作用。此外，這些碳纖維還扮演著從納米粒子中傳導電子的角色。

由于與目前傳統的陽極材料（如錫）相比，氧化鈷具有更強的離子吸附和保持能力，它被認為是極富潛力的陽極材料。此外，氧化鈷能很容易地轉化為已進入商業化應用的陰極材料——氧化鈷鋰。

研究人員為制造這種豆莢結構材料，首先在充滿惰性氣體的密閉空間內，以700℃的溫度對表面附著有聚合葡萄糖的粗制碳酸鈷進行加熱，而后再把它放置在空氣中，以250℃的溫度加熱。電子掃描顯微鏡顯示，這種結構的復合材料在結構上十分整齊，其長度大都是幾個微米，直徑一般在50納米左右。

由這種豌豆莢結構復合材料制成的電極能顯著提升鋰離子電池的電池容量和儲電能力，實驗發現在經過50次充放電循環后，由其制成的電池仍具有91%的容量。

研究人員稱，除在鋰離子電池領域的應用前景外，這種豆莢結構復合材料本身就是一個成就，因為該技術首次實現了將具有磁性的納米顆粒嵌入到中空的碳纖維之中。這種“納米顆粒膠囊”技術可以推廣到多個領域，如基因工程、催化、氣體探測、電容以及磁性材料制造等。

（4）研制出讓鋰離子容量增10倍的“石榴”型硅陽極。2014年2月17日，美國斯坦福大學、美國能源部下屬國家加速器實驗室崔毅副教授領導的研究小組，在《自然·納米技術》雜志上發表研究成果稱，他們受石榴啟發，開發出一種硅納米顆粒和碳制成的新型電極，成功破解了此前鋰離子電池中的硅電極容易破裂的難題。

電極是電池的關鍵部件，有陽極和陰極之分。此前就有研究表明，具有極好的性能，用其制成的鋰離子電池能比目前廣泛使用的石墨陽極多存儲10倍以上的電能。但其最大的缺點是不可持續性：這種電極在充電過程中極易發生膨脹甚至破裂，硅在脫落后還會與電池中的電解質，發生化學反應形成一種泥狀物質，降低電池性能和使用壽命。

崔毅研究小組利用硅納米線和納米顆粒成功解決了這個問題。研究人員通過一種在石油、油漆以及化妝品生產中常用的微乳液技術，把硅納米顆粒像石榴子一樣用碳包裹了起來，不但為每個硅納米顆粒穿上了一件“碳衣”，還為每一組硅納米顆粒蓋上了一層“碳被”。

據報道，硅納米粒子的使用，縮小了硅的體積，降低了發生破裂的概率；“碳衣”和“碳被”不但大幅減少了硅暴露在電解質中的面積，還為電流的傳導提供了一條堅固的高速公路。此外，考慮到充電時硅納米顆粒會發生膨脹，研究人員還在“碳衣”“碳被”里為它們留下了富余的空間。通過精確控制生產過程，他們已經能夠為所需要的電極，生產出特定大小的硅納米顆粒。

這些具有石榴結構的硅納米顆粒，肉眼看上去就像一堆黑色粉末。用其制造電極時只需在外面包裹上一層金屬箔片即可。

實驗測試顯示，這種石榴結構的陽極具有優良的性能，用它制造的電池在完成1000次充放電后還有97%的電量，完全能夠滿足實用要求。

崔毅說，為了使這項技術能夠更快商業化，還需要解決兩個問題：一是簡化制造流程，二是找到更便宜的硅納米顆粒來源。目前他們發現稻殼或許會成為一個很好的原材料。這種農作物副產品來源穩定，產量極高，按重量計算，20%能被制成二氧化硅。而二氧化硅可以非常容易地被轉化為制造電極所需的純硅納米顆粒。

2.研制高質量鋰金屬電池陽極材料的新成果

（1）開發確保鋰電池金屬鋰陽極穩定的納米球保護層。2014年7月，美國斯坦福大學，材料科與工程學院教授崔毅領導，正在崔毅實驗室工作的鄭廣元博士等人參加的一個研究小組，在《自然·納米技術》雜志上發表論文稱，鋰陽極由于能使電池具備極高的能量密度，被譽為電池設計制造業的“圣杯”，幾十年來，一直都是科學家們孜孜以求的目標。日前，他們已經制造出穩定的金屬鋰陽極電池，向這一目標邁出了一大步。研究人員認為，新研究有望讓超輕、超小、超大容量的電池成為現實，可穿戴設備、手機以及電動汽車或都將因此受益。

崔毅說，在所有能用來制造電池陽極的材料中，鋰最有潛力，它非常輕又具有非常高的能量密度，有望讓質量輕、體積小的電池具備更大的容量。但制造鋰陽極卻是一件非常困難的事情，以至于不少科學家在堅持多年后不得不放棄。

目前，制造鋰陽極至少需要面臨兩個挑戰：

一是鋰在充電時出現的膨脹現象。在充電時，鋰離子會聚集起來發生膨脹。所有的陽極材料，包括石墨和硅在內都會發生膨脹，但不會像鋰這么明顯。相對于其他材料，鋰的膨脹“幾乎是無限”的。非但如此，這種膨脹還是不均勻的，會造成凹坑和裂縫。這些裂縫會使寶貴的鋰離子從中逸出，形成毛發或苔蘚狀生長。這會導致電池短路，嚴重縮短其使用壽命。

二是鋰陽極在與電解質接觸后具有很高的活性。這會消耗電解質并縮短電池壽命。由此產生的一個附加問題是，當它們接觸時還會發熱。而過熱就會出現燃燒甚至爆炸，因此，這是一個嚴重的安全問題。

鄭廣元說：“雖然如此困難，我們還是找到解決問題的辦法?！睘榱私鉀Q這些問題，研究人員用碳為鋰陽極制造了一個名為“納米球”的納米保護層。這些納米球保護層從外形上看起來很像蜂窩，可彎曲且化學性質穩定，單個厚度只有20納米。

崔毅指出，這種納米球由無形碳制成，不但具有很好的化學穩定性，還有很好的強度和柔性。它能防止其中的鋰與電解質接觸，并具備一定的機械強度，能夠承受鋰陽極在充電過程中出現的膨脹現象。

在技術方面，納米球能大幅提高電池的庫侖效率（也叫充放電效率），即在一定的充放電條件下，放電時釋放出來的電荷與充電時充入的電荷百分比。一般情況下，為了達到日常使用需要，電池應能達到99.9%以上的充放電效率。

實驗顯示，未受保護的鋰陽極可以達到96%的充放電效率，在100次充放電循環后，只能達到50%，顯然是不夠的。而斯坦福團隊的新型鋰電極在充放電150次后，充放電效率還能保持在99%。對電池充放電效率而言，99%與96%之間的差異是巨大的。

崔毅說：“雖然目前還沒有達到99.9%的目標，但我們正在慢慢接近，并且與先前的技術相比，新設計已經實現了巨大的跨越。隨著研究的進一步深入和新型電解質的采用，我們相信成功就在眼前?！?

我們一直在追求強大的電池，并將希望寄托在最有潛力的鋰身上。正當全世界的科學家都在試圖突破鋰電池自身發展的局限時，該研究小組為它穿上一件納米材料的“外衣”。這項富有創意的新嘗試，不僅彌補了傳統鋰電池的缺陷，還為提高電池充放效率做出卓越貢獻。隨著小型化設備的日益增多，我們期待這項新技術助力金屬鋰陽極電池風生水起，讓未來電池不僅使用安全，而且更輕、更小、續航力更持久。

（2）研制出新型復合金屬鋰陽極材料。2016年4月，美國斯坦福大學著名材料學家崔毅與美國前能源部部長、諾貝爾物理獎得主朱棣文組成的研究團隊，在美國《國家科學院學報》網絡版發表研究成果稱，他們在金屬鋰電極的實際應用研發方面取得重大突破。據報道，以博士生梁正為骨干的研究小組首次提出“親鋰性”這一概念，并利用表面“親鋰化”處理的碳質主體材料，成功制備出一種復合金屬鋰電極，該電極可大大提高鋰電池性能。

近年來，隨著便攜式電子設備、電動汽車及可再生能源的迅速發展，高能量能源存儲器件成為新能源新材料領域的研究熱點之一。金屬鋰具有極高的理論比容量和理想的負極電位。以金屬鋰為負極的二次電池，具有高工作電壓、高能量密度等優勢，使得金屬鋰成為當今能源存儲領域的首選材料。然而，現有鋰離子二次電池各項指標諸如容量、循環壽命、充電速度等，均不能滿足消費者日益增長的需求，因此，新型電極材料的研發成為重中之重。

新研究的復合金屬鋰電極，在碳酸鹽電解液體系的循環過程中，具有較小的尺寸變化、極高的比容量和良好的循環及倍率性能，其電壓曲線也相對平滑，突破了當前制約金屬鋰電池大規模商業化的主要問題，即金屬鋰與電解液的副反應循環過程中的電極尺寸變化，以及鋰枝晶的形成。前者很大程度上降低了電池的庫倫效率，影響了其電化學性能；后兩者則會給金屬鋰電池帶來嚴重的安全隱患。

針對上述問題，該小組展開了一系列研究。經過多次嘗試后，他們將目光轉向了納米技術。研究小組對材料表面特殊浸潤性進行深入研究后，首次提出了“親鋰性”這一概念，并利用表面“親鋰化”處理的碳質主體材料，通過建立“親鋰”的界面材料體系，開創性地將金屬鋰融化之后，利用毛細作用吸入碳纖維網絡的空隙中，成功制備出含有支撐框架的復合金屬鋰電極。