科技大觀：實現快速充電 鋰電池研究的新突破

    鋰電世界  鋰電池是大家非常熟悉的電子產品，目前廣泛應用于手機、筆記本電腦及電動汽車等產品。不過，鋰電池的聲譽也為充電時間長、使用壽命短等頑疾所困。近日，新加坡南洋理工大學研究小組發明了一種新型快速充電電池，能在2分鐘內充電70%，且使用壽命長達20年，是當前電池使用壽命的10倍。

　鋰電池主要由正極材料(如鋰鈷氧)、電解液和負極材料(如石墨)組成。每當充電時，鋰離子從正極材料鋰鈷氧晶格中脫出，經過電解液后嵌入到層狀石墨中；放電時，鋰離子又從層狀石墨的晶格中脫出，經過電解質后嵌入到鋰鈷氧中。在電池充放電的過程中，鋰離子在正極和負極之間來回轉移，所以鋰電池也被形象地稱為“搖椅電池”。近年來，科學家們對新型鋰電池、尤其是高容量的鋰硫、鋰氧電池以及納米硅電池的研發呈井噴態勢，但由于合成工藝復雜、成本高、循環壽命短等原因，很多成果沒能得到普及。

　傳統鋰離子電池無法進行快速充電，主要受限于石墨電極的安全性能，并且電池工作時會在電極表面形成一層固體電解質膜，阻擋了鋰離子的“腳步”，進而減慢了鋰離子的運輸速度。最新發明的新型鋰電池的創新點在于，它使用超長的二氧化鈦納米管凝膠而非傳統的石墨材料作為電池負極。這種新型材料不會形成電解質膜，鋰離子可以飛速嵌入，進而達到快速充電效果。同時，得益于一維二氧化鈦納米凝膠的特殊結構，新型電池實現了壽命的突破，循環次數可達上萬次。假設一天充電一次，可使用20多年。而且，此項研究所使用的二氧化鈦(俗稱鈦白粉)原料成本低且易于加工，電池重復性好，可靠性也高，而且能與現有工藝無縫銜接，其工業化應用前景十分光明。

　鋰電池出現于上世紀70年代，1991年，索尼公司發布了首個商用鋰電池，自此革新了消費電子產品的面貌。盡管鋰電池應用越來越廣，但其續航能力和使用壽命一直未得到有效突破，也制約了電動汽車等行業的快速發展。這項新的技術突破會給很多領域帶來廣泛影響，在移動設備領域，新型電池可以避免一些電子設備的“被迫淘汰”；電動汽車領域也將極大受益，不僅充電時間可由原來的幾小時縮短為幾分鐘，用戶也無需頻繁更換價格昂貴的電池組(成本約1萬美元)，這為電動汽車的進一步普及帶來了利好。

　不過，當前鋰電池的發展面臨的一個瓶頸是：若想提高容量，勢必要犧牲充電速度和循環壽命，而提升充電速度又難以維持較高的容量。未來電池的更新換代，一方面需要提高安全性能，比如對固態半固態電解液的研究，另一方面，需加快大容量正極材料的研發，實現鋰電池在能量密度上的突破。總之，電池的正負極以及電解液材料需要協同并進發展，這樣才能夠在形態、容量等方面有更大的進步。