锂电潜力已开发至极限？世界需要一场新电池革命

吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名员工。当这家电动汽车公司于2003年成立时，电池能量密度稳步提高已经持续了十年，每年的提高幅度约为7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基发现锂离子电池的性能开始趋于平稳。在过去的七八年里，科学家们不得不竭尽全力去争取哪怕是0.5%的电池性能提高。

当时的进步主要来自工程和制造业的改进。伯迪切夫斯基说:“在现代化学反应被使用27年后，它们不断接受提炼。”材料更加纯净，电池制造商已经能够通过使每层都变得更薄的方式将更活跃的材料装入相同的空间中。伯迪切夫斯基称之为“从罐子里吸出空气”。但这也有其自身风险。现代电池由极薄的阴极、电解质和阳极材料的交替层组成，与铜和铝电荷收集器紧密地结合起来，将电子带出电池，送到需要的地方。

在许多高端电池中，塑料隔膜位于阴极和阳极之间，用来防止它们接触和短路，其厚度仅为6微米（约为人类头发厚度的1/10），这使它们很容易受到挤压损伤。这就是航空公司的安全视频现在为何警告称，如果你的手机掉进了机械装置里，不要试图调整座位。

对锂离子电池的每一次改进，都需要权衡取舍。提高能量密度会降低安全性，引入快速充电可能降低电池的循环寿命，这意味着电池的性能下降得更快。锂离子的潜力正在接近其理论极限。自从古德诺夫的突破以来，研究人员一直在试图寻找下一个飞跃，包括通过系统性地审视电池的四个主要组成部分——阴极、阳极、电解质和分离器，并使用越来越复杂的工具。

克莱尔·格雷(Clare Grey)是古德诺夫在牛津大学的学生，他始终在研究锂-空气电池，即用空气中的氧气充当另一个电极。从理论上讲，这些电池提供了巨大的能量密度，但要让它们可靠地充电，并且持续时间超过几十个周期，在实验室里已经够困难的了，更不用说在现实世界肮脏而不可预知的空气中了。

尽管格雷声称最近取得了突破，但由于上述问题，研究团体的注意力主要转向了锂-硫电池。它为锂离子提供了更便宜、更强大的替代品，但科学家们始终在努力阻止其在阴极上形成的树突（cathode），以及在阳极上的硫磺因重复充电而溶解。索尼声称已经解决了这一问题，并希望到2020年将含有锂-硫电池的消费类电子产品推向市场。

在曼彻斯特大学，材料学家刘旭清(Xuqing Liu)是那些试图从碳阳极中挤出更多能量的人之一，他将类似于石墨烯的二维材料结合起来，以便扩大表面积，从而增加锂原子的数量。刘旭清把它比作增加一本书的页数。这所大学还投资建造干燥的实验室，这将使其研究人员能够安全、轻松地交换不同的元件，以测试不同的电极和电解质的组合。

令人难以置信的是，即使古德诺夫本人也在研究这个问题。去年，94岁的他发表了一篇论文，描述了一种容量是现有锂离子电池三倍的电池。这受到广泛质疑。一位研究人员说:“如果是古德诺夫之外的其他人发表了这篇文章，我可能就要骂娘。”

但是，尽管有成千上万的论文发表，数十亿美元的资金投入，数十家创业公司成立并提供资金支持，自1991年以来，我们大部分消费电子产品的基本化学功能几乎没有改变。在成本、性能和消费性电子产品的便携性方面，还没有什么能够取代锂钴氧化物和碳的组合。iPhone X的电池的原理几乎和索尼的第一台便携式摄像机一样。

因此，2008年，伯迪切夫斯基从特斯拉离开，开始专注于研究新的电池化学反应。他对寻找石墨阳极的替代品尤其感兴趣，他认为这是制造更好电池的最大障碍。伯迪切夫斯基说:“石墨的使用已经有六七年了，它现在基本上是用在电池的热力学容量上。”2011年，他与特斯拉的前同事亚历克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亚理工学院材料学教授格莱布·尤辛（Gleb Yushin）共同创立了Sila Nanotechnologies。他们在阿拉米达的湾区办公室有开放式布局，以雅达利游戏命名的会议室，还有充满熔炉和燃气管道的工业实验室。

在调查了所有可能的解决方案之后，三人从理论上确定硅是最有前途的材料。他们只需要让技术发挥作用。许多人在他们之前尝试过，但都以失败告终。不过，伯迪切夫斯基和他的同事们对他们的成功表示乐观。一个硅原子可以附着4个锂离子，这意味着与重量相近的石墨阳极相比，一个硅阳极可以储存10倍的锂。这一潜力意味着，美国国家研究院对硅阳极材料充满了兴趣，Amprius、Enovix和Envia等风投机构支持的初创企业也是如此。

当锂离子在电池充电时附着在阳极上时，它会轻微膨胀，然后在使用时再次收缩。在重复的充电循环中，这种膨胀和收缩破坏了固态电解质界面层，后者是一种保护物质，在阳极表面形成斑块。这种损害会产生副作用，消耗电池中的部分锂。伯迪切夫斯基说：“它被困在无用的垃圾里。”

随着时间的推移，这是智能手机开始快速损失储能的主要原因。石墨阳极膨胀和收缩约7%，因此在性能开始急剧下滑之前，它可以完成大约1000个充放周期。这相当于一部智能手机持续两年、每天充电。但由于硅颗粒能吸附如此多的锂，它们在充电时膨胀的幅度要大得多（高达400%）。大多数硅阳极经过几次充电循环后会发生断裂。在实验室的5年多时间里，Sila Nanotechnologies创造了一种纳米复合材料来解决膨胀问题。

伯迪切夫斯基解释说，如果石墨阳极是个“公寓区”，那么所有的“房间”都是一样大小，而且都紧紧地挤在一起。经过3万次迭代（不同的柱子和房间组合），他们形成了阳极，那里每层都有足够的空间让硅原子在获取锂时膨胀。他说：“我们把多余的空间困在建筑内部。”这就解决了膨胀问题，同时保持阳极的外部尺寸和形状稳定。

伯迪切夫斯基表示，明年Sila Nanotechnologies将向制造商提供的第一代材料，将使能源密度提高20%，并最终提高40%，同时也能提高安全性。他说：“硅能让你远离边缘，你可以空出1%或2%的空间，以真正大幅提高你的安全。”最重要的是，它也可以直接转换成现有的设计。随着亚洲的电池生产商争相增加工厂产能，为电动汽车时代到来做准备，伯迪切夫斯基认为，任何与当前生产工艺不兼容的产品都可能被排除在外。他说：“如果现在还不存在可以替代锂离子的技术，到上市的时候，它将迎来无数的用户群。”

图：这名男人在玻利维亚乌尤尼的盐滩工作，这个面积4000平方英里的偏远地区拥有世界上最大的锂储量

（编辑：济南站长网）

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