钜大LARGE | 点击量：6316次 | 2018年10月14日
全球十大电池技术突破进展盘点
一、水和锌基电池
安全、高能量密度、寿命长
美国·马里兰大学
马里兰大学的研究人员在一种新的水和锌基电池上取得重大突破，未来或将用于手机电脑等消费产品。该技术由美国陆军研究实验室和美国国家标准与技术研究院在《自然资源》杂志上发表。
锌和水的组合对于解决安全问题特别有效，据研究人员称，新电池不会像手机和笔记本电脑中普遍使用的锂离子电池一样具有火灾风险，同时在寿命方面也超越锂电池，能量密度也不逊于锂电池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
比利时校际微电子中心研制出一种导电性突出的固态纳米复合材料电解质，基于这种新电解质研制电池能量密度达到每升200瓦时，充电速度为两小时。
二、新型固态锂电池
快充、安全、寿命长
比利时·校际微电子中心
比利时校际微电子中心研制出一种固态纳米复合材料电解质，导电性尤其突出，高达每厘米10毫西门子，而且今后有望进一步提升。校际微电子中心已使用这种新电解质制造出一个电池原型。这个电池原型的能量密度达到每升200瓦时，充电速度为两小时。
为了进一步提升电池性能，校际微电子中心正研究把纳米颗粒电极与纳米复合材料电解质结合在一起，使用超薄涂层作为缓冲层，以控制活性电极和电解质之间的相互作用。
这种固态电池兼容金属锂阳极，目标为0.5小时充满每升1000瓦时。再加上使用寿命长、安全性能高，从而使这种小巧的电池前景广阔，未来可应用于远程电动车。
三、镁固态电池
低成本、高能量密度
美国·能源部国家再生能源实验室
能源部国家再生能源实验室美国(NREL)成功研发出镁固态电池，且该电池原型能量密度与材料成本皆比锂离子电池佳。
电池离子透过电解质在正负极之间流动，借由电化学反应为电池供电，且该反应必须是可逆的，不然无法为电池充电，但镁电池中的碳酸盐电解质在充放电循环中容易在镁表面形成阻挡层，阻碍电池充电。虽然镁也可以透过高腐蚀性液态电解质充放电，但假如采用腐蚀性电解质，镁电池将无法在高电压下运作，也有安全疑虑。
目前研究人员已成功打造镁固态电池原型，研究指出，被保护的镁阳极也可在碳酸盐电解质中充电，且可提供更多能量。此外，研究团队除了成功研发出可循环充电的镁电池，也提供阳极与电解质不相容解决途径跟破解阴极对离子的局限。
四、循环寿命达10000次的镍锌电池
循环寿命长、安全环保
中国·大连理工大学
大连理工大学能源与动力学院李明强副教授课题组在绿色动力电池方面取得重大突破，使镍锌电池循环寿命提高了10倍。
镍锌电池作为一种古老的动力电池，有着诸多优点，尤其安全环保的特点最适合驱动电动客车。但目前商业化的镍锌电池普遍存在循环寿命短的问题，循环寿命很少超过1000次，大大限制了其在电动车上的应用。
李明强课题组利用氧化锌对石墨烯的原位剪裁技术，构建新型镍锌电池负极材料，应用于二次电池中。电池的循环寿命可达10000次，容量衰减率仅为0.0011%，最大放电容量为2603mAh/g，有效解决了镍锌电池负极循环寿命低的问题。
目前，课题组已成果组装了基于该类电池的电动自行车和5千瓦的液流储能电池模块，并在相关企业进行了试生产。
五、循环超700次的锂空气电池
高比容量、较好循环寿命
美国
锂空气电池是一种非常有潜力的高比容量电池技术，其利用锂金属与氧气的可逆反应，理论能量密度上限达到11000Wh/kg，远超过锂电池目前的实际能量密度，因此得到了学术界和工业界的热捧，被广泛认为是一项电池领域中未来的颠覆技术。
然而锂空气电池反应机理复杂、极化大效率低、循环寿命不佳，有人认为并不是未来电池工业的靠谱发展方向。
近期美国科学家在锂空气电池的研究方面达成了突破，成功制成了可在类空气气氛中循环超700次的电池，很好的解决了之前很多体系只能与纯氧反应、循环寿命差的问题，在该领域的科学研究层面取得了重大进展。
六、钛铌材料锂电池
高能量密度、快充、损耗率低
日本·东芝
东芝官方近期宣布已成功研发新一代车用锂离子电池，有望在2019年商用。该电池采用钛铌氧化物阳极材料，相对目前三元、磷酸铁锂等技术，实现了一个颠覆性的进步。新电池具备能量密度高、充电效率快等优点，只需充电6分钟就能达到90%的电量，在日本JC08测试标准下，可行驶320公里。目前锂电池平均需要30分钟才能充至80%电量。
同时，该电池在充放电5000次之后，仍能保持90%以上的电池容量，损耗率极低。而且在零下10度的低温环境中也能实现快充，在零下30度仍可正常使用。照此计算，如果每天充电一次，该电池可使用近14年。
七、可恢复容量的电池
循环寿命长、环保
新加坡·南洋理工大学
近期，新加坡南洋理工大学的科研人员成功研发一项新的电池技术，让用旧的老电池在10小时内恢复至95%的容量，让电池“返老还童”。
这项新技术是在每个锂离子电池中已有的两电极间增加第三电极，从而将残留的锂离子从一极排出到另一极，去除影响电池性能的“杂质”。因为天然属性限制，锂电池使用时间越长，容量就睡损失越明显，一般300-500次充放电循环后就会损失15-20%的容量，而且无法逆转。
这一发明既能延长电池使用寿命，也有利于环保，苹果、三星和松下等产业巨头都对这项发明兴趣浓厚。
八、硫模板技术让锂电池再“瘦身”
小体积、高容量
中国·天津大学
天津大学杨全红研究团队创新提出“硫模板法”，通过对高体积能量密度锂离子电池负极材料设计，最终完成石墨烯对活性颗粒包裹的“量体裁衣”。借助这一技术，未来锂离子电池有望进一步“瘦身”，变得更轻薄耐用。
纳米技术可以使电池“更轻”，但由于纳米材料较低的密度，“更小”成为横亘在储能领域科研工作者面前的一道难题。碳纳米材料构建的碳笼结构被认为是解决锡、硅等非碳负极材料嵌锂时巨大体积膨胀问题的主要手段，对碳笼结构的精确定制是新型高性能负极材料产业化必由之路。
杨全红团队基于石墨烯界面组装，发明了对致密多孔碳笼精确定制的硫模板技术，利用石墨烯凝胶的毛细蒸发致密化策略，成功解决了碳材料高密度和孔隙率“鱼和熊掌不可兼得”的瓶颈问题，成功得到了高密度的多孔碳材料。这种基于石墨烯组装的碳笼结构“量体裁衣”的设计思想可以拓展为普适化的下一代高能锂离子电池和锂硫电池、锂空气电池等电极材料的构建策略，从而使储能电池有望实现“小体积”“高容量”。
九、减少锂金属电池锂晶枝生成
高能量密度、循环寿命长、安全
美国·亚利桑那州立大学
对高密度储能技术而言，锂金属电池是最具前景的电池产品之一。美国亚利桑那州立大学的研究人员将3D聚二甲基硅氧烷层或硅树脂层用作锂金属阳极的基材，用以缓解锂晶枝的生成。该方法或将延长电池使用寿命，消除锂离子电池及锂空气电池的安全风险。
该研究的内容包括：向电池阳极下方新增一层PDMS，以大幅减少锂晶枝增长，这与锂金属内部的累计应力有直接关联性，而褶皱状的PDMS基材对于缓解应力将起到积极作用。另外，利用PDMS基材多面性立体结构，可以延长锂金属电池的使用寿命，同时维持其高能量密度。
十、锂硫电池电极新材料
高容量、低重量
韩国·科学技术院
近期，韩国科学技术院开发了一种全新的锂硫电池电极材料，可以抓取碳素纤维之间的硫，这类似于毛细管对水的吸收现象。这种锂硫电池具有低重量和高容量的优点，有望实现商用化。
从理论上讲，锂硫电池与锂离子电池相比，能量密度高出了约6倍以上。不过，硫的电导率较低，在充电和放电的过程中也会发生体积变化，锂的多硫化物中间相作为电解质熔化而排出，这阻碍了锂硫电池的商用化。
为了克服现有碳材料的缺点，研究团队通过电喷射制作出大量的一维形态的碳纤维，固体硫粉末被泥浆打湿后干燥，从而开发出接触电阻大幅减少的硫碳电极。
与现有的电极制造方式完全不同，在金属蓄电体上涂上电极物质，电极的结构发生了明显变化，此举将有利于拓宽未来锂离子电池的研究范围。这项研究成果标志着高容量锂硫电池的开发又迈进了一步，未来还有望应用于电动汽车和无人飞机。
