专家问答:超越锂离子

随着全球经济电气化的加快，世界各地的制造商都在迅速扩大锂离子电池的产量。事实上，能源咨询公司Wood Mackenzie预计，到2020年，全球锂离子电池产量将增长5倍。

不过，虽然锂离子电池在未来一段时间内仍将是电池技术的主导，但开发和商业化新一代替代电池技术的势头也在不断增强，这种替代电池技术可能会克服现有技术的一些局限性。

我们采访了英国三个不同研究小组的负责人，他们都是由英国旗舰电池研究项目资助的法拉第机构，向我们介绍他们的研究现状，并评论其长期潜力。

满足专家

• Mauro Pasta教授，材料学副教授，牛津大学
• 教授保罗•剪切伦敦大学学院化学工程系
• 詹姆斯·罗宾逊博士，伦敦大学学院化学工程系高级研究员
• 约翰•欧文教授圣安德鲁斯大学化学学院

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你在研究什么技术?你的研究目标是什么?

Mauro Pasta教授(议员)当前位置我的研究小组正在研究多种电池化学成分，“超越”目前的商用锂离子电池。其目的是降低成本，增加能量密度，提高充电率。固态电池可以说是锂离子化学之外最有前途的电池，因为它们有潜力解决所有这些需求，并进一步提高安全性。不幸的是，仍有一些挑战阻碍着它们的商业化。

SOLBAT(固体电池)这个项目由法拉第研究所资助，我目前正在领导，旨在研究阻碍商业化的挑战，并为这些挑战提供解决方案，最终目标是将这项技术推向市场。

James Robinson博士/ paulshearing教授(JR/PS):LiSTAR计划该项目由法拉第研究所(The Faraday Institution)资助，涉及9所大学和其他行业合作伙伴，他们都对加速一种新的电池化学物质——锂硫电池——有共同的兴趣。这种新兴的电池化学物质有一些显著的优势，特别是考虑到电池系统的整体重量，但在商业上不如锂离子电池成熟。

欧文教授(JI):通过NEXGENNA项目，我们的目标是将一种高性能、低成本、长循环寿命的安全钠离子电池商业化。钠离子电池(SIB)有望彻底改变低成本、安全、可快速扩展的能源存储技术领域。合理和可持续地使用从廉价和广泛丰富的来源获得的原始元素使这项技术极具吸引力。

与传统锂离子电池相比，你们的技术有哪些潜在优势?

国会议员当前位置在固态电池中，传统锂离子电池中使用的液体电解质被固体取代，带来了一系列的优势。固体优越的稳定性使其能够使用与液体不相容的能量密度更高的材料。这包括金属锂，自锂基电池发明以来最令人垂涎的负极材料。金属锂阳极的成功实施将提供能量密度的阶梯式变化，并可能显著降低成本。

新一代无机硫化物基固体电解质的高导电性，加上其选择性导电锂离子的能力，有望实现与传统内燃机换料相比更高的充电速率。最后，与商用锂离子电池中使用的可燃有机液体电解质相比，无机陶瓷的内在稳定性将提供一种本质上安全的电池化学物质。我们正在研究的是一种“不妥协”的电池化学物质，它可以在续航里程、充电时间和成本方面与目前的内燃机汽车相媲美。

小/ PS:首先，就所使用的组成材料而言;LiS电池通常是基于锂(负极)和硫/碳复合材料(正极)制成的电极——不像锂离子电池，正极通常含有钴和镍。

从性能角度来看，与锂离子电池相比，Li-S电池在单位重量上有潜力存储更多的能量

Li-S电极材料使用的材料本身成本较低，而且更可持续、更安全，供应链在“材料清单”成本方面提供了优势，并有可能显著提高可持续性。从性能角度来看，与锂离子电池相比，Li-S电池具有单位重量存储更多能量的潜力，这是由于组成材料的“重量容量”，这提供了高能、低重量电池的潜力。这个因素在重量敏感的应用中变得至关重要，比如飞行的电气化。

还有许多其他可能的好处，包括我们在LiSTAR项目中正在研究的安全性，以及从头开始设计一种新电池的机会。这提供了一些令人兴奋的机会，拥抱在锂离子和其他电池化学发展中获得的最佳实践，以加速锂- s技术的商业化，并从一开始就考虑寿命结束的场景。

霁:优点涉及避免关键和昂贵的元素，如Li, Co和可能的Ni在电极和避免需要在负电极电流集电极铜。钠离子电池还提供了重要的安全优势，特别是在“空”状态下运输电池的能力，方便了分配和安装。这些特性使离网储能、负载均衡和启动-照明-点火电池等无需考虑重量/体积的应用成为可能，覆盖了约1 TWh的全球潜在需求。

也就是说，最近关于电池组结构的思考进展表明，钠离子电池可能比性能最高的锂离子电池更容易组装成电池组。目前的动力和性能水平足以表明，钠离子可以很好地为更大的电动汽车市场提供合适的技术，全球对钠离子的兴趣正在蓬勃发展。

你的研究目前处于什么状态?这项技术离商业化有多近?

国会议员历史上，固态电池在电动汽车实际应用中的瓶颈是固态电解质相对于液态电解质的锂离子电导率有限。今天的情况并非如此。一些新颖的固体电解质组合物的电导率即使不优于其液体对应物，也可达到同等水平。科学上，挑战在于固体电解质和活性材料之间的界面，以及可扩展的制造。

在SOLBAT项目中，我们将这些挑战分为四个主要领域:阳极界面、阴极界面、建模和制造。阳极-固体电解质界面的挑战主要与枝晶形成现象有关，金属锂丝的生长导致短路和电池失效。在阴极-固体电解质界面，充电和放电时电解质颗粒和体积变化的活性材料之间失去接触，导致容量迅速衰减，通常需要不切实际的堆叠压力来实现长期循环。电化学和力学的耦合是这些挑战的核心，也是项目建模活动的重点。了解并提供解决方案，可能会阻止固态电池大规模生产和降低成本，这对他们未来的成功至关重要。在电池组设计阶段，需要考虑并实现回收驱动的设计考虑，以缓解锂离子电池面临的一些挑战。

在过去的五年里，整个科学界在发展这一基本认识方面取得了巨大的进步。与此同时，汽车公司大举投资于固态电池的研发，以及旨在将固态电池商业化的初创公司。固态电池的原型已经问世，未来几年还会有更多的原型被开发出来。另一方面，为了让前面提到的“不妥协的技术”能够为下一代电动汽车提供动力，我们可能需要再等一段时间。

小/ PS:Li-S电池作为下一代电池技术已经建立了一段时间，但近年来，我们看到这些电池在现实应用中的发展和部署加速。值得注意的是，锂- s电池在无人机上的应用引发了一些令人兴奋的演示。在世界各地，有许多大型项目在工业和学术界集中在这种电池化学，与此临界质量，我们正在见证一些快速和非常有希望的发展。一些挑战仍然存在，包括延长电池的工作温度范围，提高电池充放电的速度，和所有的电池研究项目一样，我们渴望延长电池的寿命。

在LiSTAR项目中，我们的工作横跨基础科学而且将其转化为现实世界的设备。通过采用这种双管齐下的方法，我们将继续探索控制电池性能的机制，并在工业合作伙伴的投入下，迅速将这一认识转化为高性能原型，我们希望这将在未来几年加速该技术的商业化。

霁:考虑到sib和众所周知的可充电锂电池在基本工作原理和材料上的相似之处，利用现有的电池生产线，有望将这项技术迅速推向市场。在全球有重大的商业利益，目前正在考虑一系列技术(例如，正极为层状氧化物、普鲁士蓝类似物和钒基聚阴离子化合物;负极为硬质碳、氧化物;以及水电解质和非水电解质溶液)，突出了SIB材料研究的巨大范围，通过开发用于正负电极和电解质的新化学物质。

在有效地将电池结构的不同元素聚集在一起的关键重要性，是在操作或原位条件下的SEI的特征，以提供对这一层的行为的良好洞察，并绘制电解质和电极配方之间的相关性，SEI的物理化学性质和电池性能。同样，理解电池运行过程中电极材料中发生的长距离和短距离过程对于描述SIB不同家族材料中发生的电荷补偿机制至关重要。

左至右:约翰•欧文教授圣安德鲁斯大学化学学院;Mauro Pasta教授，材料学副教授，牛津大学;伦敦大学学院化学工程系高级研究员James Robinson博士;教授保罗•剪切伦敦大学学院化学工程系