不仅要抓紧Li，还给Li穿防弹衣_风闻

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图片来自电影《股疯》

据说最近股市又有涌动，早在二十几年前，电影《股疯》就已经把股市的沉浮展示得淋漓尽致，影片中潘虹拿的那个“大砖块”，可是八九十年代在江湖上叱咤风云的“大哥大”，老神气了。

但是，你别看这“大哥大”块头又大、掂着又沉，其实它的电池并不十分耐用，往往是“充电十几小时，通话半小时”。这种电池，就是早期的电化学储能器件-镍镉电池。

图1 “大哥大”手机和其中的镍镉电池板

从镍镉电池到锂电池，电化学储能科学领域快速发展

1992年，电化学储能领域迎来了一场革命性的变革，日本索尼公司推出了世界第一款成功商业化的锂离子电池，凭着储量大、轻巧、循环寿命高、无污染（不含重金属镉）等优势，迅速淘汰了镍镉、镍氢等电池技术，独占便携式电子设备供电的市场鳌头。就此，各类手机、电脑、MP3等移动3C产品如雨后春笋般出现在人类的日常生活中。而其中最关键的一个技术突破，就是电池能量密度的提升。

锂离子电池本身具有相当可观的能量密度，并且在科学家们的不断探索下，其能量密度还在逐年攀升。

锂金属由于其很高的理论比容量，被认为是极具潜力的下一代电池负极材料。打个比方，锂离子电池里面的石墨负极作为“房子”，把锂离子一个一个的储存在里面，一克的石墨材料大概能存入约8×10^21个锂离子。而锂金属负极，是直接把锂离子转变成原子堆积在一起变成锂金属单质，一克的锂金属负极可以堆积约9×10^22个锂原子，几乎是同质量石墨容量的十倍。

因此，以锂金属负极打造的储能电池体系，可以获得远高于锂离子电池的能量密度（图2）。围绕锂金属负极打造高能量密度锂电池已在近年成为国际前沿科研热点。

图2 储能电池的能量密度及在不同领域的应用

过度“活泼”的锂金属负极

用锂金属作为负极本是几十年前各种电池厂的首选，为什么后来都放弃了呢？这是因为，安全隐患过大。

锂金属在电化学沉积/循环过程中会形成大量的尖刺形貌，即锂枝晶的生长。锂枝晶的生长不仅会导致电池性能的衰减，一旦锂枝晶刺穿隔膜，电池就会短路甚至起火爆炸（图3）。因此，要实现锂金属负极的使用，首先就要解决枝晶的问题，可这还不是唯一问题。

锂是一种非常活泼的金属，在电池里面非常容易和电解液发生反应，从而转变成无用的“废料-死锂”，使循环容量降低。金属锂循环过程中会产生越来越多的“死锂”，导致电池寿命的迅速衰减，这些都是严峻的问题（图3）。

图3 图解锂金属负极的安全及循环寿命问题

为活泼的锂金属穿上石墨烯“防弹衣”

最近，中科院宁波材料技术与工程研究所新型储能材料与器件团队研制了一种特殊的堆叠石墨烯材料，来稳定活泼的锂金属。当把这种堆叠石墨烯材料覆盖在锂金属负极的表面时，它们特殊的材料结构可防止锂金属沉积在电极表面与电解液直接接触，同时还能让锂金属均匀有序地沉积在石墨烯覆盖层下方。

这种特殊的石墨烯“防弹衣”为改善锂金属的循环提供了“一石二鸟”的作用，既防止了锂枝晶的形成，也隔离了锂金属与电解液的接触，避免了“死锂”的产生（图4）。在这款石墨烯“防弹衣”的保护下，锂金属负极终于可以在电解液里面“深呼吸”了，循环寿命也得到了稳定提升。

图4 一种堆叠石墨烯层为锂金属负极披上“防弹衣”

虽然距离锂金属负极的实际大规模应用还有一段路要走，但科技的进步都是通过一点一滴的科研成果积累实现的。发展下一代高能量密度电池还需要解决很多问题，但想想拿着一台超长时间续航的手机，开着没有尾气排放的纯电动车，沿途欣赏智能都市的美丽风光，这样的画面不光令人神往，也为科研工作者们开发下一代高能量密度电池提供了无限动力。

来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所