每周科技串“獎”｜活潑金屬電池夢的開始

電能，支撐著我們每天的生活：我們用電池來儲存能量，驅動手機、交通工具，而電能的時空不均衡特性，使得電網系統也需要使用電池來儲存和釋放能量，把富余的電能儲存起來，再在用電需求高峰釋放給用戶。于是，無論是個人用戶，還是工業(yè)生產，都對更高能量密度、更可靠、更價格低廉的儲能電池提出了需求。我們今天要介紹的2011年國家自然科學獎二等獎“幾類無機材料的氫、鋰、鎂儲存與電池性能研究”，其重要成果之一就是圍繞鋰電池、鎂電池開展的系列研究。

高能與安全 活潑金屬電池的雙刃劍

從能量角度而言，越活潑的金屬能夠釋放出的能量越多，制造成電池所儲存的能量也就越多。就鋰離子電池而言，鋰活動順序大致在鈉與鎂之間，重量又輕，可成為理想的儲能電池原料，因此，鋰電池在我們的日常生活中十分常見。但事實上，鋰離子電池從發(fā)明到商用的過程并非一帆風順，原因是性質活潑的金屬雖然能夠儲存并釋放更多的能量，但其活潑的另一面則是穩(wěn)定性差，這就給應用帶來相應的困擾。

約束活潑離子 達到可穩(wěn)定充電

解決這一問題的關鍵在于杜絕讓活潑金屬直接發(fā)生反應，而是通過活潑金屬離子的轉移來儲存或釋放能量。以鋰離子電池為例，如果直接用鋰這種活潑金屬來儲存能量，它們會在釋放出足夠的能量的同時，降低電池本身的安全性，而且充電的過程很難實現?，F有的鋰離子電池技術，采用電池的正極和負極材料進行充放電循環(huán)。正極放電時，鋰離子充分釋放能量。負極充電時鋰離子積蓄能量。鋰被約束在正負極之間，既可以穩(wěn)定地儲存并釋放能量，又不容易出現事故。

由于鋰離子在充放電過程中并未直接被氧化或者還原，因此這類基于離子遷移構建的電池也被稱為“搖椅電池”。

發(fā)展活潑離子載體 創(chuàng)造未來電池

如前所述，現代儲能電池的關鍵在于正極、負極的活潑金屬離子的載體。而尋找更加安全、高性能的金屬離子載體，成為科學家們重要的研究內容。南開大學陳軍院士團隊主持完成的“幾類無機材料的氫、鋰、鎂儲存與電池性能研究”項目便圍繞兩條截然不同卻又殊途同歸的研究路徑開展了系列研究工作：一方面是開發(fā)更輕、更高性能的鋰離子載體材料，另一方面則是開發(fā)新型鎂離子載體材料。

對鋰離子電池而言，載體雖好，但本身并不儲存能量，而是僅僅作為鋰離子的儲存場所來使用，因此減輕載體重量意味著電池能量密度的提升。此外，構建新的鋰離子載體，可以提高電池的電壓，進一步增加電池能量密度。陳軍院士團隊開發(fā)了一系列的新型鋰離子載體材料，有效提升了電池能量密度和安全性。

近年來，陳軍院士團隊開發(fā)了一系列鎂、鈉等活潑金屬離子電池，部分成果已經得到轉化應用，有望進一步推動電化學儲能領域的發(fā)展。

（文：重慶大學化學化工學院教授 李存璞 把關專家：南開大學化學學院教授 陽科）

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