作者:祁丽亚(北京大学博士、哈佛大学访问学者)环保、节能、无限、电费便宜！虽然新能源汽车有这么多优势，但我们经常看到新能源汽车在高速公路上突然缺电，无法坚持到下一个服务区、多车等充电桩，排队4小时充电一小时的消息。充电桩数量少、充电时间长、续航里程短是新能源车主抱怨最多的三点，也是长期制约新能源汽车发展的三座山。如何跨越这座三座山，实现新能源汽车更广、更快、更好？
Xi安新能源汽车行业快马加鞭。在新华社记者刘潇摄1理想的锂电池跑得远、充电快、更安全的理想中，新能源汽车的电池至少应该是这样的:一是容量高，保证汽车跑得远；二是充电快，等待时间短；第三，稳定性强，道路更安全。这样，发展目标就很明确了，就是开发新一代大容量、高倍率、长循环的电池。为了实现这一目标，自1991年锂离子电池商业化以来，科学家们一直在研究锂离子电池的核心组件。
电池有正负极，锂电池也不例外。无论是正极材料还是负极材料，理想的电极材料都应该具备:良好的脱锂嵌锂可逆性、较高的质量比容量、稳定的氧化还原电位平台、较高的电子电导率、离子电导率和锂离子扩散系数以及良好的稳定性。正极材料和负极材料的区别在于锂离子嵌入的电位。嵌入电位较高的为正极材料，嵌入电位较低的为负极材料。
锂离子电池的正极材料和负极材料的发展也有很多故事。自20世纪90年代初索尼首次商业化以来，经过20多年的发展，锂离子电池已经发展出各种正极材料体系。最早的商业正极材料是钴酸锂，也是历史上最古老、最成熟的锂离子电池正极材料。到目前为止，它已经被广泛使用。然而，钴酸锂并不是万能的。钴酸锂系统虽然能量密度高，比容量大，循环寿命和安全性可观，但稳定性略显不足，电池容量在高电压条件下严重下降。
随后，研究人员开发了锰酸锂系统，可以解决钴酸锂稳定性不足的问题，但存在三价锰溶解的巨大缺陷，逐渐淡出锂离子电池正极材料的舞台。磷酸铁锂系统自诞生以来，一直被认为是电动汽车电池最理想的正极材料，因为锂离子脱嵌前后结构的稳定性、良好的循环性、锂离子循环后容量的缓慢衰减和低毒性。然而，该系统的电子导电率较低，极大地影响了电池的整体性能。
由两种金属组成的正极材料不能很好地满足需求，科学家们把目光投向了三元材料。三元材料镍钴锰酸锂是由钴酸锂混合而成，其安全性高于钴酸锂。三元材料在空气中容易氧化形成不稳定的表面，导致结构缺陷和镍锂混合排放，增加了材料的内阻，降低了电化学活性，产生了晶间裂纹和微应变，形成了额外的绝缘膜，增加了材料的阻抗，降低了三元材料的性能。目前，三元材料的成熟和商业化还有很长的路要走。
总的来说，锂电池的正极材料正朝着高比容量、高安全性和高循环效率的发展方向前进。传统材料虽然技术成熟，但已经不能满足动力电池领域的不断需求，未来正极材料领域会有更多的突破性技术。
2022年7月，第28届中国兰州投资贸易洽谈会在甘肃省兰州市开幕。图为参展的新能源汽车。新华社记者张智敏摄
金属锂是带刺玫瑰锂电池的负极材料，也是关键。它直接影响电池的第一次循环效率、循环寿命、倍率性能和安全性能。金属锂直接用作第一代锂离子电池的负极材料，但在充放电过程中容易产生枝晶。长时间充放电后，金属锂表面会长出枝晶。就像一个光滑的平面突然长出几千万根刺。可想而知，这朵带刺玫瑰最终可能会刺穿电池，造成短路甚至爆炸。
第二代负极材料采用锂铝合金，解决了金属锂产生枝晶的问题，但材料在循环过程中体积变化较大，材料主体容易粉化脱落，循环性差。第三代负极材料采用层状石墨碳材料，在锂脱落过程中电位接近锂本身的电位。层状结构有利于锂的嵌入和脱落，大大提高了锂离子电池的循环和安全性能。到目前为止，石墨碳和钛酸锂仍然是大规模商业化的负极材料。。
虽然石墨碳材料和钛酸锂在商业化方面相对成熟，但这两种材料的一个固有缺陷是理论比容量低，这使得目前锂离子电池的能量密度无法满足动力电池的更高要求。因此，未来锂离子电池负极材料的发展可能会呈现出两条腿走路的趋势。一是回归初衷，重新选择金属锂作为负极材料。研究的重点是如何克服金属锂在长期充放电过程中的枝晶问题。另一种方式是寻找现有的电池系统，以满足当前高能量密度的迫切需求，改善现有的电池生产。
经过大量对比，我们团队最终锁定了金属锂作为负极材料的研究重点，因为我们发现金属锂的理论容量是目前商业锂电池负极材料的10倍以上，导电性好，是最理想的负极材料之一。如果枝晶问题能得到妥善解决，就离生产能力大、充电快的锂电池又近了一步。
如何解决枝晶问题？目前常见的解决方案之一是构建三维铜集流体。金属锂负极需要铜作为集流体，长时间充放电后金属锂会长出枝晶，可能会穿透隔膜，造成短路甚至爆炸。研究表明，如果将平面铜制成三维铜，可以降低绝对的电流密度，从而抑制锂枝晶的生长；同时，三维结构的铜集流体可以有效诱导锂沉积在基底内部，从而避免枝晶穿透隔膜。这就像建一个铜房，让刺在房间里生长，从而无法穿透房间。
然而，问题又来了。直接建造这个房子不仅费时费力，而且成本高，无法大规模生产。因此，这项研究仍然停留在实验室，这极大地限制了金属锂的商业化进程。因此，如何以低成本、高效率、可重复的方式生产三维铜是一个具有挑战性的研究课题。
我们尝试了很多方法，比如水热法、气相沉积法等。，但结果并不令人满意。就在我们莫名其妙的时候，一个常见而有趣的现象引起了我们的注意。在哈佛留学的时候，我经常买，因为当地的波士顿龙虾很有名。蒸龙虾是红色的，但它的红色不是天生的，而是因为高温，青黑龙虾变成了红色。正是这种常见的现象让我突然想到，如果龙虾的红色不是天生的，而是后来改变的，为什么要坚持直接做红色三维铜？如果我们能把一块布做成合适的，建造成一块？
4轻薄的纸张也可以用来制作锂电池。在寻找的过程中，另一种有趣的小生物——贻贝进入了我们的视线。这种贝壳可以分泌一种粘性蛋白质，使贻贝像粘合剂一样牢牢地吸附在船底。对于船来说，贻贝并不受欢迎。如果原来光滑的船底长满了贻贝，阻力会大大增加，燃油消耗会增加，甚至会腐蚀船底的钢板。
但这个让渔夫们无比头疼的小家伙，却给我们很大的启发，能不能模仿贻贝，来给金属锂建造一个表面牢牢吸附铜的“房子”呢？
自然界中贻贝分泌的黏性蛋白可牢牢吸附在几乎任何材料的表面。而贻贝黏蛋白的核心成分与多巴胺类似，因此可以使用多巴胺溶液来代替。将廉价易得的玻璃纤维布等，浸泡在多巴胺的溶液中，多巴胺能不能牢牢吸附在材料表面呢？
基于这样的想法，我们提出一种新颖的转化思路：在普通多孔材料表面包覆铜层，从而将基底材料变成三维铜骨架。整个过程分为聚多巴胺涂层的负载和铜单质的沉积两步。首先将基底材料浸泡于多巴胺溶液中，利用多巴胺的原位聚合，在材料表面负载聚多巴胺涂层；第二步利用聚多巴胺和铜离子的螯合作用，加入二甲胺硼烷加强还原作用，从而通过无电沉积成功将铜单质均匀包覆在纤维表面。
经过试验，白色的布房子果然变成了吸附多巴胺的黑色房子。再加入还原剂和铜离子溶液，反应24小时后，黑色的多巴胺房子真的变成了红色的铜房子。
材料表面最终变为红棕色，可直观证实铜单质的沉积成功。整个过程简单、高效、对环境无污染。
不仅如此，将玻璃纤维布换成其他更常见的材料，通过简单的浸泡，玻璃纤维、泡沫镍、聚碳酸酯滤膜、宣纸等常规无机及有机多孔材料都成功完成了三维储锂铜骨架的构建，也得到了令人满意的结果。这证实了方法的高效性，也极大拓宽了材料的可选择性。这意味着，这种转化方法不需要特别的化学试剂和仪器设备，就可将多种材料(无机、有机聚合物等)转换为三维储锂骨架。
制备好的新型电池进行电化学测试，循环600小时后库伦效率依然保持在94%，长周期循环性能显著提高。这种简单却具有普适性的方法可以将常见多孔材料转化成高效的储锂骨架，为构建三维集流体提供新的解决思路，大幅度降低电池成本。同时，三维储锂结构可有效调控锂离子沉积行为，从根本上调节锂金属成核和生长过程，有效抑制枝晶形成，推动锂金属负极二次电池的商业化。
基于此，我们在锂离子电池的能量密度、安全性和充放电速率方面取得了重大突破，并大幅度降低了电池生产成本，为新一代动力电池的设计和研发提供了合理可行的新思路。相关研究工作已经成功申请国际专利并在国际知名期刊发表多篇高水平论文。
可以想象，在不远的未来，我们有希望将手中轻而薄的纸，进行适当改性，也可用于制作大容量低成本的电池。
5期待未来锂电池帮助美好生活。在科技飞速发展的今天，锂电池已经进入千家万户。目前，锂电池的应用领域主要集中在电动汽车、电子产品和航天领域。在电动汽车领域，锂电池仍然是市场占比最高的首选能源，其清洁和零排放的优势将在双碳政策下进一步放大。随着技术的进步，锂离子电池电动汽车的里程、续航和安全性都有了很大的提高。电子产品领域是锂离子电池的传统优势领域，手机、数码相机、笔记本电池都是开放电池的。
随着充放电性能的不断提高，锂离子电池将在未来的电动工具领域得到更广泛的应用。虽然人们不常听说它在航天领域的应用，但事实上，早在2004年，锂离子电池就被用于火星着陆器和火星汽车。目前，锂离子电池在航天领域的应用主要是为发射、飞行校正和夜间操作提供支持。半个世纪的锂电池发展历史波澜壮阔。到目前为止，研究人员仍在不断探索开发更好的电池，希望未来锂电池能更好地帮助人类过上更好的生活。
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