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一、鋰電池

考慮到電池的高能量密度、高電壓、原料和制備工藝的低成本等優(yōu)點，鋰離子電池及下一代鋰電池（固態(tài)電池、鋰硫電池等）的相關(guān)材料制備仍然是現(xiàn)階段新型電池研究的熱點。鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展極大地推動了近些年智能手機的普及應(yīng)用，其高能量密度支撐智能手機向更輕薄、更便捷、更多功能化的方向發(fā)展。智能手機承載的互聯(lián)網(wǎng)功能，正在顛覆性地改變?nèi)藗兊纳罘绞?、信息獲取方式和互聯(lián)互通。在交通領(lǐng)域，鋰離子電池的高能量密度輔以先進的電池管理系統(tǒng)，讓新能源電動汽車十分受歡迎。除此之外，鋰離子電池以及其他一些高效低價的電池儲能體系正在為新能源如風(fēng)能和太陽能的普及應(yīng)用提供強有力的支持。

近些年，各類新型鋰電池相比于目前的鋰離子電池體系（電解液為液體）具有更高的比容量和更低的成本，正逐漸受到人們的重視。固態(tài)電池、鋰硫電池、柔性電池等是未來的重要發(fā)展方向。

1.固態(tài)電池

固態(tài)電池是采用固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)的電池。固態(tài)電池的正極材料與液態(tài)電解質(zhì)電池沒有太大差別，負極材料主要選用鋰金屬、鋰合金或石墨烯等。這么多有利的因素，組合在一起就構(gòu)成了固態(tài)鋰離子電池。目前固態(tài)鋰電池可以分為無機固態(tài)電解質(zhì)電池和聚合物固態(tài)鋰電池2種。固態(tài)鋰電池的發(fā)展主要還是依賴于固體電解質(zhì)的材料的發(fā)展。表1列出了固態(tài)電池和傳統(tǒng)鋰電池的主要區(qū)別。

表1  固態(tài)電池和傳統(tǒng)鋰電池的主要區(qū)別

全固態(tài)鋰電池具有極高的安全性，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。全固態(tài)鋰電池當前能量密度在390Wh/kg左右，預(yù)估最大可達900Wh/kg。

2017年3月份，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部和財政部4部委聯(lián)合頒布了《促進汽車動力電池發(fā)展行動方案》，方案指出到2020年，要求新型鋰離子動力申池單體能量密度在300Wh/kg以上；系統(tǒng)比能量力爭達到260Wh/kg。固態(tài)電池是實現(xiàn)這一目標的最佳選擇之一。

目前，全球范圍內(nèi)約有30多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高校科研院所致力于固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化路線的探索和材料體系的選擇。高等院所主要專注于電池材料層面的研究和電池機理的探究，國外研究機構(gòu)以美國阿貢國家實驗室為代表，國內(nèi)以中國科學(xué)院2013年設(shè)立的固態(tài)電池先導(dǎo)計劃為依托，希望在5年內(nèi)實現(xiàn)我國固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)。企業(yè)方面，以日本豐田集團和韓國三星集團為代表，其在固態(tài)電池的開發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用處于世界領(lǐng)先位置。

 2.鋰硫電池

鋰硫（Li-S）電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負極的新型鋰電池。它具有高的理論比容量和能量密度，并且硫生產(chǎn)成本低規(guī)避了過渡金屬（鈷和鎳等）儲量的制約，對環(huán)境友好無污染，因此被視為最有應(yīng)用前景的高容量新型儲能電池之一，有望用于大型儲能項目。

然而，鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)在仍面臨一些技術(shù)方面的挑戰(zhàn)：如固體硫化物的導(dǎo)電性差，可溶性長鏈多硫化物的穿梭效應(yīng)以及電池充放電期間硫的體積變化大，導(dǎo)致電池發(fā)生明顯膨脹等，這些問題進一步導(dǎo)致硫正極的利用率偏低、電池循環(huán)次數(shù)減少、電池壽命差，甚至可能發(fā)生一系列安全問題。如何大幅提高鋰硫電池穩(wěn)定性的同時，增加鋰硫電池的大功率放電性能，已成為當前鋰硫電池研究的熱點之一。

3.柔性鋰電池

目前所用的鋰離子電池產(chǎn)品（圓柱電池、方形電池、聚合物電池等）都是剛性的，其在發(fā)生彎曲、折疊等形狀變化時，容易造成鋰電池內(nèi)部材料和集流體脫落分離，進而影響電化學(xué)性能，甚至可以導(dǎo)致電池短路，發(fā)生嚴重的安全事故。同時為了滿足下一代柔性電子設(shè)備的發(fā)展需要，柔性儲能器件成為新型電池的研究熱點方向。

柔性電子器件在通信、醫(yī)療健康和傳感器等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。作為電子設(shè)備中的能量來源，高性能柔性電池對其發(fā)揮著不可或缺的作用。然而，兼顧高能量密度的同時保持電極良好的柔性，成為了柔性電池面臨的主要挑戰(zhàn)之一，鋰電池因其具有的優(yōu)異的電化學(xué)性能，成為其中的解決方案之一。

二、燃料電池的組成

燃料電池是一種化學(xué)電池，通過不斷輸入燃料，進行化學(xué)反應(yīng)，然后將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其燃料通常為甲醇、乙醇、氫氣（H2）、天然氣等。通過特殊催化劑使燃料與氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和水，釋放電能。

燃料電池主要由陽極板、陰極板、電解質(zhì)和外電路4大主要部分組成。在燃料電池的陽極和陰極分別通入燃料和氧氣（空氣），燃料首先在陽極表面上釋放電子，電子通過外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧氣結(jié)合生成離子。在電場作用下，離子通過電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到陽極表面，離子在催化劑的作用下與燃料進行化學(xué)反應(yīng)，釋放電能，進而回路產(chǎn)生電，形成化學(xué)電池。其中，陰極和陽極不僅可以傳導(dǎo)電子，還能作為燃料電池氧化還原反應(yīng)催化劑的載體。為便于反應(yīng)氣體的進入和產(chǎn)物的排出，陰陽極通常采用多孔結(jié)構(gòu)的碳材料。電解質(zhì)主要起到傳遞離子和分離氣體的作用。

氫燃料電池的結(jié)構(gòu)原理圖見圖1所示。其具體工作原理如下：氫氣進入燃料電池的陽極表面，陽極外層的鉑系催化劑將氫氣轉(zhuǎn)化成質(zhì)子和電子，1 個氫分子解離為2個氫質(zhì)子，并釋放出2個電子；中間的質(zhì)子交換膜僅允許質(zhì)子通過電解質(zhì)到達燃料電池的陰極表面，電子經(jīng)過外電路流向陰極部分形成電流。氧氣進入燃料電池的陰極表面，和質(zhì)子、電子相結(jié)合生成水，構(gòu)成一個完整的反應(yīng)體系。

圖1  氫燃料電池結(jié)構(gòu)原理圖

1.燃料電池的分類

燃料電池常根據(jù)電池體系所用電解質(zhì)的不同來分類，這主要因為電解質(zhì)直接決定了燃料電池工作時的溫度、電極上所采用的催化劑類型以及發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的燃料。按所用電解質(zhì)的不同，可將燃料電池可分為5類：堿性燃料電池（AFC）、磷酸鹽型燃料電池（PAFC）、固體氧化物型燃料電池（SOFC）、碳酸鹽型燃料電池（MCFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。表2列出了上述5種燃料電池的所用主要燃料、氧化劑、電解質(zhì)催化劑、用途等。

表2   5種燃料電池的主要特點

2.燃料電池現(xiàn)狀及應(yīng)用

燃料電池，目前世界各國對其商業(yè)模式還在探索之中，但在燃料電池汽車相關(guān)的核心技術(shù)方面，中國的發(fā)展水平落后于歐美日韓等發(fā)達國家。就氫燃料電池企業(yè)而言，國內(nèi)企業(yè)商業(yè)模式不清晰，技術(shù)路線不明確，這是制約氫燃料電池汽車推廣的瓶頸。

我國在新能源汽車領(lǐng)域，鋰離子電池純電動汽車已經(jīng)成為主流路線。當前我國純電動汽車的發(fā)展格局已初步形成：乘用車以三元動力電池為主，客車主要采用磷酸鐵鋰動力電池。而另一個不容忽視的事實是：歐、美、日、韓多家知名車企相繼報道投入大量資金進行燃料電池汽車的開發(fā)，并公布了其產(chǎn)業(yè)化時間表。

根據(jù)日本富士經(jīng)濟預(yù)測，到2025年，全球燃料電池市場有望達到5.2萬億日元（約合人民幣3 400億元）。經(jīng)過分析和調(diào)研，在2015年之前，燃料電池應(yīng)用主要以商業(yè)用途及家庭用途領(lǐng)域為主；隨著眾多研究機構(gòu)和企業(yè)的努力，以及燃料電池汽車商業(yè)化的不斷落地，燃料電池下游市場已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性變化，未來新能源汽車將占有很高的市場份額。未來隨著技術(shù)升級、加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的完善、政策支持力度加大，預(yù)計到2025年全球燃料電池汽車市場有望擴大到2.91萬億日元（合約人民幣1 900億元），占整體市場一半以上，增長潛力巨大。

三、金屬-空氣電池

金屬-空氣電池是化學(xué)電池的一種。其構(gòu)造原理與一次干電池類似，區(qū)別是它的氧化劑取自空氣中的氧。金屬-空氣電池系列主要包括鋰空電池、鋁空電池、鎂空電池、鋅空電池等。

與其他電池一樣，金屬-空氣電池也是由基本的３部分組成：正極、負極、電解質(zhì)，外電路由導(dǎo)線連接傳導(dǎo)電子，內(nèi)電路由電解質(zhì)連通傳遞離子。以鋰空電池為例，其工作原理如圖2所示。

圖2  鋰-空氣電池工作原理示意圖

1.鋰空氣電池

鋰空氣電池是一種非常有潛力的高比容量新型電池，其利用鋰金屬與氧氣的可逆反應(yīng)，理論能量密度上限達到11 000Wh/kg，遠超過鋰電池目前200Wh/kg的實際能量密度，因此得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱捧，被廣泛認為是一項電池領(lǐng)域中未來的顛覆技術(shù)。

最近美國科學(xué)家等在鋰空電池的研究方面達成了突破，在《NATURE》上發(fā)文，成功制成了可在類空氣氣氛中循環(huán)超700次的電池，很好的解決了之前很多體系只能與純氧反應(yīng)、循環(huán)壽命很差（常常只有幾十次）的問題，在該領(lǐng)域的科學(xué)研究層面取得了重大進展。

鋰空電池技術(shù)一直是受到人們重視的熱點技術(shù)，其理論能量密度高得到了大家的一致期待，但是該技術(shù)的問題和挑戰(zhàn)也一直非常多。同時“鋰空氣電池結(jié)合了燃料電池和鋰離子電池的缺點”、“反應(yīng)副反應(yīng)太多”等一系列問題，主要存在如下3方面問題。

（1）氧還原反應(yīng)需要催化劑

放電過程中，在無催化劑存在的情況下，氧氣還原反應(yīng)速度非常緩慢；而目前用的鉑系催化劑價格非常昂貴，并且容易發(fā)生“催化劑中毒”現(xiàn)象。電池在充電過程中，電壓平臺為 4V 左右，在此電壓平臺下電解液容易發(fā)生分解等副反應(yīng)。

（2）鋰空氣電池是敞開體系

在鋰空電池體系中，空氣直接與電解液接觸，會引發(fā)電解液揮發(fā)、電解液氧化、空氣中的水分和CO2與金屬鋰反應(yīng)等一系列致命問題。

（3）空氣電極孔道堵塞問題

放電生成不溶于電解液的氧化鋰（Li2O）和過氧化鋰（Li2O2）會堆積在空氣電極表面和空隙中，阻塞空氣孔道，導(dǎo)致空氣電極失活、電池放電終止。

綜上所述，鋰空氣電池中存在很多問題亟待解決：包括氧氣還原反應(yīng)的催化、空氣電極透氧疏水性、空氣電極失活等。雖然鋰空氣電池取得了一些進步，但要真正商業(yè)化應(yīng)用還有很長一段路要走。

2.鋁空氣電池

鋁空氣電池是以鋁為負極、空氣電極正極、中性水溶液或堿性水溶液為電解質(zhì)，構(gòu)成的一種高能量化學(xué)電源，其屬于半燃料電池。鋁空氣電池的理論能量密度可以達到2 290Wh/kg，已規(guī)模應(yīng)用的產(chǎn)品能量密度為300～400Wh/kg，遠高于主流鋰離子電池芯150～240Wh/kg 的能量密度。鋁空氣電池產(chǎn)生電能消耗鋁、氧氣和水，原料來源豐富，工作過程不產(chǎn)生有毒有害氣體，生成的氫氧化鋁可以電解再生或可作為污水處理的沉淀劑使用，電池使用壽命一般可達3～4年。鋁空氣電池可以分為一次電池和通過更換鋁負極方式實現(xiàn)機械可充的二次電池。

鋁空氣電池國外研究進展較快，應(yīng)用水平不斷提高。美國、加拿大、以色列等國均在大力開發(fā)鋁空氣電池作為重要的動力電源。但鋁空氣電池在放電過程中會發(fā)生陽極腐蝕，進而產(chǎn)生少量的氫，這就會導(dǎo)致陽極鋁材料的過量消耗，同時增加電池內(nèi)阻，電池內(nèi)部消耗加??；這嚴重阻礙了鋁-空氣電池的商業(yè)化進程和應(yīng)用推廣。

四、核電池

所謂的核電池，并不是利用核裂變轉(zhuǎn)化為電能的原理，而是利用放射性同位素的衰變來產(chǎn)生能量。

由于核電池使用的放射性同位素半衰期從幾十年到幾百年不等，也就是說這些電池雖然功率密度低，但可以長時間緩慢提供能量。與一般化學(xué)電池相比，核電池壽命極長、總輸出能量高，可惜制作成本相對高昂，所以通常用于需長時間運作、且平常難以進行電池更換的儀器上。

據(jù)俄羅斯媒體報道，該國研究人開發(fā)出了一種超強的核電池，其續(xù)航可以超過百年，性能超乎想象。據(jù)悉，這個電池是一種基于鎳-63的新型核電池設(shè)計，為了提升電池的功率密度，設(shè)計上采用了新的方向，比如包裹在10μm厚的三明治結(jié)構(gòu)中，鎳-63的最有效層厚度為2μm（如圖4所示）。

圖4  核電池結(jié)構(gòu)示意圖

這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計既可以提升電池密度，又能夠防止危險放射。這種電池的用途，更加適用于那些難以更換電池的應(yīng)用，比如航天器或起搏器等植入設(shè)備。雖然目前核電池一大棘手問題是缺乏鎳-63制備設(shè)施，但團隊表示，商業(yè)化技術(shù)應(yīng)該能在未來10年內(nèi)推出。

五、太陽能電池

為了對太陽這種清潔能源的有效利用，太陽能電池將會扮演越來越重要的作用，并受到學(xué)術(shù)和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的薄膜太陽能電池器件一般需要2個電極，分別用于對電子和空穴的收集。從太陽光對器件的入射方向來說，該2種電極又可以被稱為前電極和背電極，對于前電極，即透明電極，它們需要同時具備高導(dǎo)電率和高透光性的特點。具有高透光率和高導(dǎo)電率的透明電極能減少太陽光在電極上的損耗，將盡可能多的太陽光傳輸至太陽能電池的活性層，從而產(chǎn)生更多的光激發(fā)載流子，并被透明電極收集，另一種光生載流子則被傳輸至具有高導(dǎo)電性的背電極。雖然背電極的透光特性并不是傳統(tǒng)薄膜太陽能電池的必備條件，采用具有透光特性的背電極則可以獲得半透明的光伏器件。錫摻雜氧化銦（ITO）和氟摻雜氧化錫（FTO）是現(xiàn)階段工業(yè)界和學(xué)術(shù)界最常采用的透明電極，但是由于該類金屬氧化物陶瓷薄膜具有天然的脆性，不利于柔性光電子器件的發(fā)展應(yīng)用，另一方面，價格日益上漲的稀有元素銦及高昂真空鍍膜的制備工藝則會不斷推高該類透明電極的成本，因此，尋找具有高透光、高導(dǎo)電及低成本的柔性透明電極勢在必行。相比于普通的金屬背電極，具有一定納米結(jié)構(gòu)特性的背電極則能有效地改善薄膜太陽能電池中的光場分布及提高載流子的提取，對器件性能的提高具有推動作用。

在太陽能電池中硅系太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的類型。但其成本居高不下，遠不能滿足商業(yè)大規(guī)模推廣的要求。因此人類一直不斷在太陽能電池工藝、相關(guān)新材料、電池薄膜化等方面進行探索和研發(fā)，其中新近發(fā)展的納米二氧化鈦晶體化學(xué)能太陽能電池受到國內(nèi)外科學(xué)家的一致重視。

六、結(jié)語

目前能源問題日益緊迫，傳統(tǒng)汽車迅猛發(fā)展，帶來的環(huán)境問題備受社會關(guān)注。發(fā)展新能源行業(yè)是一條必由之路，而新型電池就是新能源行業(yè)的核心器件。新型電池研發(fā)要與上游材料、下游應(yīng)用和市場緊密聯(lián)系起來，重視技術(shù)革新帶來的新領(lǐng)域、新方向，同時兼顧環(huán)境保護及其他環(huán)節(jié)的協(xié)同發(fā)展。保障我國電池技術(shù)的持續(xù)進步，形成越來越強的國際競爭力，為可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

我國目前已經(jīng)很重視新型電池的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域拓展，但核心領(lǐng)域的技術(shù)和裝備仍與美日等發(fā)達國家有一定的差距。我國可以將多方力量聯(lián)合起來，搭建公共的共性研發(fā)平臺，摸索最先進的電池生產(chǎn)工藝，自主研發(fā)一流的設(shè)備，提高工業(yè)自動化水平，真正研發(fā)制造出高品質(zhì)的新型電池電池產(chǎn)品。

文/羅文謙

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