沃德介紹說，這種膠狀物看起來是固態的，但其中70%的成分是液體電解質。它可以很好地起到傳統鋰電池中液態電解質的導電作用，在此基礎上制成的新型鋰電池的功能與傳統鋰電池相當。

新型鋰電池的一個重要優點是在安全方面。傳統鋰電池因為使用液態電解質，如果封裝工藝不好，起火和爆炸的風險相對較高，這方面的新聞不時見諸報端。使用膠狀物的新型鋰電池相比之下就要安全得多。

此外，由于這種膠狀物易于生產、切割和成形，新型鋰電池的生產成本也較低。據報道，這種新型鋰電池的價格，只有傳統鋰電池的10%～20%。研究人員因此認為，這種安全且廉價的新型鋰電池有望被廣泛用于各種電子產品中。

（2）研制出可防止鋰離子電池意外爆炸的新技術。2016年1月11日，斯坦福大學材料科學與工程教授鮑哲楠領導，她的同事陳正、崔毅等人參與的研究小組，在《自然·能源》期刊中發表論文說，他們研發出一項新技術，可以有效防止鋰離子電池發生爆炸。這項技術使電池可以在過熱之前關閉，在溫度降下來后迅速重啟。

鮑哲楠說：“人們嘗試了多種策略來解決鋰離子電池意外爆炸的問題。我們研制的技術使電池首次可在反復加熱和冷卻循環中關閉和重啟，且性能不會受到影響。”

傳統的鋰離子電池包含兩個電極，電極之間是攜帶帶電離子的液態，或凝膠狀的電解質。刺穿、短路或過度充電都會使電池產生熱量。如果溫度達到約150℃，電解質就會著火并引發爆炸。有幾種技術已經被用來防止電池爆炸，例如在電解質中加入阻燃劑，或在電池過熱之前發出警報。但是這些技術都是不可逆的，也就是說電池在出現過熱之后就無法再次使用了。

為了解決這一問題，該研究小組把目光轉向了納米技術。在實驗中，他們在帶有納米級凸起的鎳顆粒表面覆蓋了一層石墨烯，并將這些顆粒嵌入具有彈性的聚乙烯薄膜中。論文第一作者陳正說：“我們將聚乙烯薄膜與一個電極連接起來，這樣電流可以通過它。為了導電，那些帶凸起的鎳顆粒需要彼此接觸。但是在熱膨脹過程中，聚乙烯薄膜被拉伸，這些鎳顆粒就相互分開了，這就使薄膜不再導電，電流就不會通過電池。”

研究人員把電池加熱到70℃以上后，聚乙烯薄膜迅速膨脹，鎳顆粒相互分開，電池不再工作。但是當電池溫度回落到70℃以下，聚乙烯薄膜收縮，鎳顆粒回到相互接觸狀態，電池開始繼續產生電流。他們甚至可以把溫度調高或降低，這取決于嵌入了多少鎳顆粒，以及選擇什么樣的聚合物材料。

崔毅說：“與之前的方式相比，我們對電池的設計提供了一種兼具高性能和安全性的可靠、快速且可逆的技術策略。這種技術策略具有非常好的應用前景。”

（二）研發鋰離子電池過程出現的新工藝

1.開發降低鋰離子電池成本的新工藝

研制出讓鋰離子電池成本減半的新工藝。2015年6月，美國麻省理工學院陶瓷工藝教授、24M公司聯合創始人蔣業明領導的研究小組，開發出一種制造鋰離子電池的先進工藝，不僅有望顯著降低生產成本，還能提高電池性能，使其更易于回收。

現有的鋰離子電池制造方法還是20年前發明的，效率低下，過程煩瑣。蔣業明研究小組于5年前提出“液流電池”概念，以帶有細微顆粒的懸浮液作為電極，通過泵送的方式在電池中循環。但分析表明，液流電池系統適合于低能量密度電池，對于鋰離子電池這樣的高能量密度設備而言，意味著成本的增加。

為此，該研究小組改進設計，新版本被稱為“半固體電池”：電極材料不流動，是一種類似于半固態的膠體懸浮液。據報道，不同于標準工藝需要在襯底材料上添加液態涂層，然后等材料干后才能開始下一道工序，新方法讓電極材料始終處于液態，根本不需要干燥。該系統通過使用更少但更厚的電極，將傳統電池結構中的分層數量，以及非功能性材料的用量，減少了80%。

蔣業明說，新工藝極大地簡化了制造過程，生產成本可降低一半，電池具有柔性并且更加耐用，不僅可彎曲、折疊，即使被子彈穿過也不會受損。這種方法還可以按比例擴大生產，據他估計，到2020年，每千瓦時容量的成本將降至100美元以下。

目前，24M公司已經在原型生產線上制造了大約1萬塊這樣的電池，其中大部分正在接受3個工業合作伙伴的測試，包括泰國的一家石油公司和日本重型設備制造商IHI株式會社。新工藝已獲得8項專利，另有75項專利正在接受評審。

2.開發延長鋰離子電池壽命的新工藝

發明延長充電鋰離子電池壽命的“鹽浴”新工藝。2016年6月14日，澳大利亞媒體報道，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織電池專家亞當·貝斯特、昆士蘭科技大學的副教授安東尼·奧穆蘭，以及皇家墨爾本理工大學相關專家組成的研究小組，發明了一種“鹽浴”的簡單工藝，可以延長充電鋰離子電池的壽命，有望打破目前電動汽車的電池續航瓶頸。

該研究小組發現，在電池組裝前，將鋰金屬電極浸沒在含有離子液和鋰鹽的混合電解液中，這樣預處理后電池的續航時間可延長，性能和安全性得到增強。

離子液也稱常溫熔鹽，是一種透明、無色、無味，且阻燃的獨特液體。這些材料可以在電極表面形成一層保護膜，使電池在使用時保持穩定，解決了充電電池易著火、爆炸的問題，此外，這樣處理過的電池還能放置長達一年而性能不減。

貝斯特說，用這種工藝預處理過的電池，其性能理論上強于目前市場上其他所有常規鋰電池。

新一代動力電池是電動汽車行業發展的關鍵。這種簡單的“鹽浴”預處理將加速新一代儲能工藝的研發，進而解決目前電動汽車行業的“電池續航能力焦慮”，通過提高電池的續航和充電能力，使電動汽車在不久的將來真正能與傳統汽車抗衡。

奧穆蘭說，電池廠商很容易采納這種新的電池處理工藝，只需對現有生產線稍作轉換即可。

“鹽浴”中使用的混合電解液，包含有多種化學成分，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織擁有相關專利。研究人員目前正在研發基于這一技術的電池，同時尋找合作伙伴將其商業化。

第二節 研制燃料電池的新進展

一、研發燃料電池的新成果

（一）研制多材質多用途的固體氧化物燃料電池

1.開發不同材質的固體氧化物燃料電池

（1）用丙烷開發成功便攜式固體氧化物燃料電池。2004年11月1日，美國納米動力公司首席執行官基思·布萊克利，在德克薩斯州圣安東尼奧舉行的燃料電池研討會上宣布，他們開發成功了便攜式固體氧化物燃料電池。它以丙烷氣為燃料，每填充一次燃料，大約可連續24小時輸出50瓦的電力。

該燃料電池的名稱為“變革50”。公司研究人員表示，這種燃料電池的用途主要是：“士兵裝備的燃料供給、充電電池的便攜充電系統、戶外照明和廣告系統、自動售貨機電源以及電動工具等。”

便攜式固體氧化物燃料電池具有發電效率高的特點，同時工作溫度也需要達到1000℃的高溫。該公司通過在陶瓷材料技術和電池單元的設計上加大研發力度，可以在600～850相對較低的溫度下驅動。

特性方面，布萊克利表示：“電池單元的單位面積的輸出功率密度為1瓦/厘米2。單位質量的能量密度為3000瓦時/千克。”另外，薄膜等材料均為該公司自主開發。

（2）用丙烷研制成具有良好隔熱效果的燃料電池。2005年6月，美國媒體報道，加州理工學院索西納·黑爾博士，與南加州大學及西北大學相關專家一起組成的研究小組研制成丙烷燃料電池。原先研制的燃料電池，一般是利用氫或甲醇工作，而丙烷具有很大的能量密度，因此它能以緊湊壓縮狀態保存，能大大增加燃料電池的容量，更適合為日常電子儀器供電。

新型丙烷燃料電池，屬于固體氧化物燃料電池一類燃料電池系列，固體氧化物燃料電池通常利用燃料與氧氣的混合物來工作。丙烷燃料電池結構簡單，并且非常致密，它只有一個氧氣和燃料入口和一個排氣出口。

為了使丙烷在燃料電池中產生電能，科學家不得不尋找新穎的方案，在電池中采用鋇、鍶、鈷、釕和鈰。

研究人員說，燃料與氧氣混合物在放熱反應中被部分氧化，放熱反應使燃料電池加熱到600℃，不過，該裝置具有良好的隔熱材料，使用過程是安全的。除此之外，特殊的換熱器確保來自燃料電池的熾熱氣體，把自身的高溫傳遞給進入內部的冷氣體。

（3）用天然氣研發出固體氧化物燃料電池系統。2011年1月，芬蘭國家技術研究中心發布公報說，該中心研發出獨特的燃料電池系統，能夠以天然氣為燃料并網發電。其獨特性在于，利用10千瓦級的單個平板式固體氧化物燃料電池堆來生產電能。

單個燃料電池功率有限，為增強其實用性，研究人員把若干個燃料電池以串聯、并聯等方式組裝成燃料電池堆。平板式固體氧化物燃料電池堆是一種形似“多層夾心餅干”的組裝結構。

芬蘭國家技術研究中心的專家介紹說，他們在兩個月前，首次把10千瓦級的單個平板式固體氧化物燃料電池堆組裝成系統，并在實際運行條件下進行測試。

該中心指出，提高單個燃料電池堆的功率可為將來建造大規模固體氧化物電池發電廠創造條件。目前市場上單個平板式燃料電池堆的功率多為0.5千瓦到數千瓦，如果要用燃料電池技術建造一座發電廠，就需要很多燃料電池堆，加上組裝、維護和管理，成本很高。提高單個平板式燃料電池堆的功率可減少這種新型發電廠的建設和維護成本。

（4）用噴氣發動機燃料開發能在室溫下發電的燃料電池。2014年12月，美國猶他大學材料科學與工程學院，雪莉·敏蒂爾教授領導的一個研究小組，在美國化學學會期刊《ACS催化》網絡版上發表論文稱，他們研制出首塊可在室溫下工作的燃料電池，不用點燃燃料，它用酶就能使得噴氣發動機燃料產生電能。這種新型燃料電池，可以給手持電子設備、離網型電動機和傳感器供電。

燃料電池主要通過氧或者其他氧化劑進行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉化成電能；只要能持續添加燃料，那么燃料電池就可以持續提供清潔而廉價的電能。蓄電池已經被廣泛應用于電動車和發電裝置；如今，燃料電池同樣也用于一些建筑物的供電，另外，它還能為氫動力車這樣的燃料電池車提供動力。

2.研制具有不同用途的固體氧化物燃料電池

（1）發明為未來車輛提供動力的低溫固體氧化物燃料電池。2005年10月16—21日，美國斯坦福大學機械工程系負責人弗里茨·普林茨教授領導，材料科學和工程學副教授保羅·麥金泰爾、化學工程教授斯泰西·本特，以及普林茨學生參與的研究小組，在洛杉磯召開的電化學學會會議上，提供了四份關于新型燃料電池技術的研究報告。他們指出，這一創新技術將大大降低燃料電池的工作溫度，因此有望為未來車輛提供所需的動力。

在接下來的一個月時間內，該研究小組將會出版一本燃料電池的教科書，讓學生能夠及時了解燃料電池這一新興技術的相關知識。

普林茨指出，從經濟角度來說，目前燃料電池還不具備生產性，而且也無法與傳統的燃燒引擎競爭。但是，人們可以通過很多方面來改進燃料電池的性能和經濟價值。

現在，燃料電池包括普林茨小組正在研究的固體氧化物燃料電池在內，已經成為一個熱門技術。因為燃料電池在為建筑物、汽車和電子設備提供充足電能的同時，不會對環境造成任何污染。

固體氧化物燃料電池，通過兩個化學反應，在電路周圍移動負電荷從而產生電流。電池的一面從空氣中攝取氧，然后使氧與電子相結合，形成負氧離子。隨后這些負氧離子被不斷傳送，經過燃料電池中間的固態電解質層到達電池的另一面，接著負氧離子與氫氣燃料結合形成水。在這一反應過程中釋放出的電子穿過整個燃料電池回到原先那一面，這樣就完成了一個完整的電路。在整個過程中，燃料電池吸取了氫和氧，產生水和電。燃料電池與普通電池不同的地方就是它不會流失電荷，只要有氫燃料和氧存在，燃料電池就能始終保持工作狀態。

與其他種類的燃料電池相比，固體氧化物燃料電池特別適合家用和汽車使用，因為它能以相對較高的功率傳輸全部電能。但是，固體氧化物燃料電池的工作溫度超過700℃，這是其實際使用中最大的一個缺陷。需要如此高溫的原因之一，是因為電池中的電解質層，如果不產生大量熱量的話，就無法順利傳送負氧離子。該研究小組目前在做的就是改變這一點。

固體氧化物燃料電池內的電解質是一層穩定性氧化釔鋯膜，該研究小組通過減小膜的厚度至50納米，已經改善了離子通過電解質層的傳導性。要使膜達到如此薄的厚度而且還要經久耐用是一個不小的挑戰。因為燃料電池中注入的都是氣體（氫和氧），所以大部分電解質層都不得不與氣體接觸。同時，這么薄的膜還必須足夠牢固來承擔一定的壓力，比如燃料電池兩側氣壓差產生的力。為了讓氣體能夠充分滲入，電解質層兩側的鉑催化劑排列松散，因此只能提供極小的支撐力。