MIT鋰金屬電池實用性突破 能量密度為鋰離子電池2倍

最近，一家麻省理工學院（MIT）的校辦公司正在推廣一款新型可充電的鋰金屬電池，這種電池的容量是鋰離子電池的2倍，能夠為當今的許多電子產品提供充足的動力。

2012年，麻省理工學院的一位畢業生和胡啟超（Qichao Hu，音譯）博士后共同建立了Solid Energy公司，該系統研發出了具有多種材料的優點的“無陽極”鋰金屬電池。我們知道鋰離子電池因其優良的性能被廣泛應用在智能手機、電動汽車、可穿戴設備、無人機以及其他設備中，而這種新研發的鋰金屬電池具有和鋰離子電池一樣的安全性和持久性，同時能量密度增加一倍。

Solid Energy的CEO胡啟超說：“由于它具有普通鋰離子電池兩倍的能量密度，因此我們把電池的體積縮小一半時，其使用壽命不變；或者不改變電池的大小，那么鋰金屬電池的使用壽命將會是鋰離子電池的兩倍。”

這種電池把原來的陽極材料石墨換成了具有低厚度、高能量的鋰金屬箔，使得鋰電池能容納更多的離子，因此，它的電池容量隨之增加。而且，通過對電解質進行化學修飾，使得這種鋰金屬電池壽命更長，可充電性能更好，安全性更高。更重要的是，這種鋰電池能夠使用現有的鋰離子制造設備來進行生產，這就使得它能夠實現大批量的生產。

在2015年10月，Solid Energy宣稱，這種高能量密度的鋰金屬電池模型一經公布，他們便得到了投資者的1200多萬美元的贊助。縮減尺寸后的鋰金屬電池用于iphone6，續航能力有所提高—鋰金屬電池儲能容量為2.0Ah，鋰離子電池為1.8Ah。

此后，Solid Energy計劃在2017年初將這種電池推廣到智能手機和穿戴設備等領域，在2018年進一步推廣到電動汽車行業。而最先投入使用的將是今年11月份開展的無人機產業。“一些客戶正在使用無人機和氣球來向發展中國家提供免費的互聯網，并且做災害救援調查。這將是一項新穎且令人激動的應用。”胡啟超如是說。

同樣的，將這種新型鋰電池應用到電動汽車行業也會產生“一鳴驚人”的效果。胡啟超說：“電動汽車的行業標準是充電一次至少可以跑200公里，由于鋰金屬電池具有兩倍的能量密度，當我們把電池的大小和重量縮小一半時，電動汽車依然可以運行200公里，換句話說，不改變電池的大小和重量，電動汽車可以運行400公里。”

解決電池的“瓶頸”

胡啟超說：“幾十年來研究人員一直在尋找可充電的鋰金屬電池，但是由于能量容量的問題得不到解決，所以始終一無所獲，這就是像是電池的‘死穴’”。

拿鋰金屬電池舉例，金屬鋰難以與電池的電解液發生反應（電解液是一種連接正極和負極之間的一種液體），且反應后形成的化合物增加了電阻，降低了電池的循環使用壽命。在陽極上，這個反應還會生成鋰金屬凸起，稱之為枝晶，致使電池發生短路，產生高的熱量使電解質燃燒，最終電池失去可充電性。

為了防止上述情況的發生，必須采取一些措施來保證電池的安全，但這需要以降低電池的性能為代價來實現。例如用導電不良且工作溫度高的固體高分子電解質代替液體電解質，或者用無機電解質來替換，這些方法的缺陷是不能使鋰金屬電池得到大規模的應用。

麻省理工學院教授Donald研發了幾種熔鹽和液態金屬電池，在電池研究方面赫赫有名。胡啟超師從Donald，并協助其完成了在鋰金屬電池方面的選材和多個關鍵設計，這些構成了為SolidEnergy技術的基礎部分。

這其中一個創新就是用超薄鋰金屬箔作為電池的陽極，與傳統的陽極材料相比，厚度只有原來的五分之一，而且電池的體積縮小到原來的一半。

胡啟超說：“但是，這種電池也有一個主要的缺點，就是必須在80℃以上才能工作，這個‘攪局者’的存在使得鋰金屬電池的商業應用受到了極大地限制。”

為了解決上述問題，胡啟超研發了一種由固體和液體共同組成的電解質溶液，他把薄的固體電解質涂在了鋰金屬箔上，這樣就不需要加熱鋰金屬電池。另外，他還自制了一種新的準離子液體電解質，不易燃，并有化學修飾的分離器和電池設計，阻止它與鋰金屬產生反應。

“最終的結果是電池能量容量增加。鋰金屬電池除了有較好的安全性和較長的使用壽命外，還克服了不能在常溫下工作的缺點，”胡啟超這樣說。

因禍得福

在商業方面，胡啟超經常去馬丁基金會中心，為企業家從導師和投資者那里尋求有價值的意見。他還參加了能源企業的課程并在那里成立了一個團隊研究新能源電池，以實現商業計劃。

隨著商業計劃的開始，他們的團隊獲得了麻省理工10萬美元創業競賽加速器大賽第一名，同時，還入圍了麻省理工學院清潔能源大賽。在那之后，這個團隊代表麻省理工學院在白宮參加國家清潔能源競賽，獲得第二名。

在2012年年底，胡啟超準備推出Solid Energy時，研發先進鋰離子電池的A123系統公司卻宣布了破產，胡啟超說：“電池公司的前景看起來并不是很好，但是，我認為我的公司注定不會失敗，因為我的公司還沒有真正開始。”

相反，這使得他們的團隊因禍得福。通過胡啟超的聯系，他們的團隊可以繼續使用A123的設施，這其中包括干燥室，清潔室以及生產設備。而且，在2013年，當A123被萬向收購時，Solid Energy簽署了一項合作協議，可以繼續使用A123的資源。

在A123實驗室中，Solid Energy被迫使用已有的鋰離子電池生產設備，這實際上偏離了設計新材料的初衷，成為了制造商業實用電池的工廠。Solid Energy致力于發展創新的而不是商業化的材料，因此規模不一定需要很大。胡啟超說：“我們被迫使用一些適用于已有生產線的材料。從制造業的角度來看，我們要切實認清什么樣的材料可以應用到這些過程中，才能夠反推、設計新材料”

胡教授說：“經過三年在沃爾瑟姆共享A123的空間之后，Solid Energy將在本月把總部搬到一個新的地方，這里有最先進的實驗設施，空間比之前的大十倍還多，可以容納一架波音747的機翼，這也是為了實施商業計劃而擴大生產規模的舉措。”

原文鏈接：Doubling Battery Power of Consumer Electronics