不僅要抓緊Li，還給Li穿防彈衣_風聞

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圖片來自電影《股瘋》

據説最近股市又有湧動，早在二十幾年前，電影《股瘋》就已經把股市的沉浮展示得淋漓盡致，影片中潘虹拿的那個“大磚塊”，可是八九十年代在江湖上叱吒風雲的“大哥大”，老神氣了。

但是，你別看這“大哥大”塊頭又大、掂着又沉，其實它的電池並不十分耐用，往往是“充電十幾小時，通話半小時”。這種電池，就是早期的電化學儲能器件-鎳鎘電池。

圖1 “大哥大”手機和其中的鎳鎘電池板

從鎳鎘電池到鋰電池，電化學儲能科學領域快速發展

1992年，電化學儲能領域迎來了一場革命性的變革，日本索尼公司推出了世界第一款成功商業化的鋰離子電池，憑着儲量大、輕巧、循環壽命高、無污染（不含重金屬鎘）等優勢，迅速淘汰了鎳鎘、鎳氫等電池技術，獨佔便攜式電子設備供電的市場鰲頭。就此，各類手機、電腦、MP3等移動3C產品如雨後春筍般出現在人類的日常生活中。而其中最關鍵的一個技術突破，就是電池能量密度的提升。

鋰離子電池本身具有相當可觀的能量密度，並且在科學家們的不斷探索下，其能量密度還在逐年攀升。

鋰金屬由於其很高的理論比容量，被認為是極具潛力的下一代電池負極材料。打個比方，鋰離子電池裏面的石墨負極作為“房子”，把鋰離子一個一個的儲存在裏面，一克的石墨材料大概能存入約8×10^21個鋰離子。而鋰金屬負極，是直接把鋰離子轉變成原子堆積在一起變成鋰金屬單質，一克的鋰金屬負極可以堆積約9×10^22個鋰原子，幾乎是同質量石墨容量的十倍。

因此，以鋰金屬負極打造的儲能電池體系，可以獲得遠高於鋰離子電池的能量密度（圖2）。圍繞鋰金屬負極打造高能量密度鋰電池已在近年成為國際前沿科研熱點。

圖2 儲能電池的能量密度及在不同領域的應用

過度“活潑”的鋰金屬負極

用鋰金屬作為負極本是幾十年前各種電池廠的首選，為什麼後來都放棄了呢？這是因為，安全隱患過大。

鋰金屬在電化學沉積/循環過程中會形成大量的尖刺形貌，即鋰枝晶的生長。鋰枝晶的生長不僅會導致電池性能的衰減，一旦鋰枝晶刺穿隔膜，電池就會短路甚至起火爆炸（圖3）。因此，要實現鋰金屬負極的使用，首先就要解決枝晶的問題，可這還不是唯一問題。

鋰是一種非常活潑的金屬，在電池裏面非常容易和電解液發生反應，從而轉變成無用的“廢料-死鋰”，使循環容量降低。金屬鋰循環過程中會產生越來越多的“死鋰”，導致電池壽命的迅速衰減，這些都是嚴峻的問題（圖3）。

圖3 圖解鋰金屬負極的安全及循環壽命問題

為活潑的鋰金屬穿上石墨烯“防彈衣”

最近，中科院寧波材料技術與工程研究所新型儲能材料與器件團隊研製了一種特殊的堆疊石墨烯材料，來穩定活潑的鋰金屬。當把這種堆疊石墨烯材料覆蓋在鋰金屬負極的表面時，它們特殊的材料結構可防止鋰金屬沉積在電極表面與電解液直接接觸，同時還能讓鋰金屬均勻有序地沉積在石墨烯覆蓋層下方。

這種特殊的石墨烯“防彈衣”為改善鋰金屬的循環提供了“一石二鳥”的作用，既防止了鋰枝晶的形成，也隔離了鋰金屬與電解液的接觸，避免了“死鋰”的產生（圖4）。在這款石墨烯“防彈衣”的保護下，鋰金屬負極終於可以在電解液裏面“深呼吸”了，循環壽命也得到了穩定提升。

圖4 一種堆疊石墨烯層為鋰金屬負極披上“防彈衣”

雖然距離鋰金屬負極的實際大規模應用還有一段路要走，但科技的進步都是通過一點一滴的科研成果積累實現的。發展下一代高能量密度電池還需要解決很多問題，但想想拿着一台超長時間續航的手機，開着沒有尾氣排放的純電動車，沿途欣賞智能都市的美麗風光，這樣的畫面不光令人神往，也為科研工作者們開發下一代高能量密度電池提供了無限動力。

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所