7月电池业内出现了许多令人眼前一亮的电池技术，你想过有一天锂电池的正极材料将会是沙子，而且大小就如一枚硬币吗?又比如你是否会一直苦恼锂电池续航?新型电池技术可以延长电池多久寿命呢?一切精彩尽在7月前沿电池技术汇总中。
3倍容量硬币状锂电池问世 用沙子做阳极
传统锂离子电池采用了石墨作为阳极，但人们普遍认为，这种材料的性能已经达到了极限，因此研究人员正在努力寻找潜在的替代品。尽管有不少研究将重点放在了纳米硅上，但是其仍然面临着量产难和退化快的问题。不过加州法学河滨分校的团队却成功地克服了这一难关，并开发出了利用沙子作为锂离子电池阳极的方法。
加州大学河滨分校有一名叫扎卡里˙费佛斯(Zay Favors)的研究生，其致力于开发出更好的锂离子电池。
当他在圣克莱蒙特(San Clemente)冲浪的时候，突然想到了沙滩上的沙子。而沙子又主要由石英(二氧化硅)组成，这促使他想要钻研得更深透一点。
为了找到石英比例较高的沙地，他逛遍全美并寻访了德克萨斯州的锡达河水库(Cedar Creek Reservoir)，收集了一些沙样并带到了该校伯恩斯工程学院(Bourns College of Engineering)的实验室，这也是他与工程教授Cengiz和Mihri Ozkan所共事的地方。
从沙转变成纳米硅的原理图。
在将原料研磨到纳米尺度之前，需要经过一系列的纯化步骤(看起来像糖粉)——提纯研磨后的粉末与盐、镁共同加热——盐扮演了吸热剂的角色，而镁元素则会去除掉石英中的氧元素，从而提炼出纯硅。
更重要的是，在上述过程中，其形成了一致性的、具有多孔和三维海绵状的纯纳米硅。而孔隙又是改进电池阳极性能的关键——因为它提供了更大的表面积，并允许锂离子更迅速地行进。
该团队已经开发出了一颗硬币般大小、使用新型硅纳米阳极的成品。据说比传统锂离子电池有着更显著的性能(3倍电池容量)，有助于减少移动电话的充电间隔、或者电动汽车等设备昂贵的更换费用。
目前，研究人员正在寻找量产方法，并把硬币大小的锂离子电池提升到手机电池那么大。该技术已经申请专利，详细内容已发表在《科技报告》(Scientific Reports)期刊上。
改写锂电池常规 新一代电池用碳作负极
近日，加拿大阿尔伯塔大学的科研小组对外公布，他们使用碳纳米管(CNT)研发出一种新电池，比现在广泛使用的锂电池充电更快、耐用性更持久。诱导崔博士补充道：“我们尝试使用了多种不同的材料。通常，碳被用作锂离子电池的正极，但是我们把碳用作负极，使用诱导氟化工艺制作电池。”
使用碳的优势是由于它的经济性和安全性，并且能量输出是目前锂离子电池的5—8倍。此外，这种新型电池的性能也优于还处在研发阶段的锂硫电池和锂空气电池。例如，诱导氟化技术可以用于生产快速充电、耐力更持久的手机电池。
崔博士说道：“以前，大家都不知道碳用作电池负极可以得到这么好的性能。这是我们技术的特别之处，在《自然科学报告》发表的论文中也进行了详细描述。这是一个漫长的研发过程，我们发现了碳的特殊性能，坚持试验了三年才得到现在的结果。”
崔博士现在是技术研发公司AdvEn Solutions的首席技术官。AdvEn Solutions公司计划在2014年年底前制作出电池样品，并研发三种电池满足不同的需求：第一种电池实现较高的输出功率和较长的使用周期;第二种电池实现快速充放电;第三种可实现高容量储能。
崔博士说道：“我们还有很多工作要做，但是我们相信这项技术在未来的商用前景会非常好。”
AdvEn Solutions公司隶属于阿尔伯塔大学化学材料工程系，目前计划再吸收若干个科研人并获得更多的资助。该公司最近刚和美国Lockheed Martin航空公司建立合作关系，计划为这种新技术的碳阴极研发阳极材料。
锂离子电池负极材料Li4Ti5O12研究取新进展
锂离子电池以其高能量、高功率密度等特点，在小型移动电子设备上得到了广泛应用，目前正致力于开发电动汽车以及智能电网用长寿命锂离子储能电池。
尖晶石结构的Li4Ti5O12作为一种新的负极材料，正逐渐成为研究热点。Li4Ti5O12其电位平台在1.54V，高的电位平台避免了锂枝晶的形成，从而提高了电池的安全性能;同时在锂离子嵌入/脱出过程中的体积“零应变”，具有潜在的循环性好的优势。
纯Li4Ti5O12为宽带隙材料，具有低的电子电导率，无法在大电流密度下进行充放电;而且以Li4Ti5O12为负极的锂离子电池在使用和贮存过程中由于表面催化反应，有持续胀气问题，带来一定安全隐患和降低循环寿命。
对其进行表面包覆是解决其问题的有效途径之一，但如何得到均匀的包覆层以及实现在较低温度下得到高电导率的包覆层一直是一个重要的技术难题。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的清洁能源实验室E01组博士生赵亮与胡勇胜研究员等提出了一种利用含氮元素离子液体实现均匀薄层(1-2nm)含氮元素掺杂碳包覆Li4Ti5O12负极材料的技术，包覆改性后的材料显示了突出的循环性(半电池循环2000次容量保持率83%)与倍率特性(在10C(6分钟充放电)倍率下容量保持率80%，容量为129 mAh/g)。
这种方法的优点在于：离子液体具有较低的蒸汽压，在热处理过程中不会有溶剂挥发的问题，所以易于形成均匀的包覆层;离子液体有种类丰富的阴、阳离子可以选择，便于调节其中氮的构型和含量。此外，该低温包碳方法还可以推广到对其它电极材料的包覆。以上工作发表在Adv. Mater. , 23, 1385-1388, 2011上。
为了进一步研究氮元素掺杂包碳的机理，与SF5组的博士生丁子敬和孟胜研究员合作，构建了graphene-或N-doped graphene-Li4Ti5O12界面结构模型，获得了界面电荷转移的图像，间接说明通过氮掺杂可以提高表面电导;通过包覆，可以消除Li4Ti5O12表面的不饱和悬键，有利于提高其循环稳定性，也可能有利于解决Li4Ti5O12基锂离子电池的胀气问题。以上工作发表在Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 15127-15133, 2011上，并申请了相关发明专利。
上述工作得到了科技部储能材料研究创新团队、科学院知识创新工程能源项目群方向性项目、科学院百人计划、基金委能源项目群重点项目、广东省科技厅的支持。
图1：氮元素掺杂碳包覆的Li4Ti5O12的表征结果：(A)为透射电镜图片，可以看出颗粒表面形成了均匀的无定型包覆层;(B)为包覆前后样品的XPS，包覆后出现了氮元素的峰。
图2：氮元素掺杂碳包覆的Li4Ti5O12的倍率性能(A)和半电池的循环性能(B)，(B)图插图是原始样品的循环性能。
图3：(A) CVD方法制备的碳包覆Li4Ti5O12样品，可以看出表面有1-2层的graphene包覆层;(B) graphene-或N-doped graphene-Li4Ti5O12界面模型的侧视图，Li4Ti5O12界面为Ti原子终止层。
锂电池“短命”?美国科学家发明超长寿命新型电池
可充电电池对于现代人来说必不可缺，但它寿命偏短的特点让人十分纠结。因此，美国南加州大学的科学家们开发出了寿命远超传统锂离子电池的新电池，总时间将达到 15 年之久。这种新型电池采用的是“有机氧化还原液流设计”，研究者将电活性材料溶解在水中，将它们分别放在两个储存池里。这些液体随后被注入反应室中，一张薄膜将它们分隔开。
由于薄膜能够允许两边的电子传递，因此产生了电能。虽然这种设计并不能说是他们的首创，不过他们的贡献在于实现了无重金属材料，使得电池非常环保，而且还很便宜。
人们总是在关注太阳能发电，毕竟它洁净环保，有一种未来之美。但是至少在短期内，这种既廉价又持久的电池在实用性上更强。据介绍，新型电池的成本仅是传统锂离子电池的十分之一。
需要注意的是这种新型电池目前距离实用化还远得很，而且体积庞大还不能满足便携设备的要求。研究者承诺他们还将继续努力。
薄膜锂电池能力受限锌电池受追捧
根据MIT Technology Review的报道，加州又出现一家以研发柔性、可反复充电的电池为主的初创公司Imprint Energy，他们已经在测试超级薄的锌电池，希望最终能够把电池卖给可穿戴设备、医疗器械、智能标签、环境传感器的制造商们。除此之外，早在今年3月份，国内首条锌电池电动公交示范线就落户天津。分析人士表示，锌电池技术的不断突破以及逐步产业化，肯定会带动相关行业的快速发展。
柔性锌电池或打开可穿戴设备想象空间
随着可穿戴电子设备的兴起，柔性电池早就成为科学家们研究的热点。过去几年，科学家们一直将研究的方向集中于柔性薄膜锂电池等方面;如今，为了解决可穿戴设备电力短缺的问题，科学家们似乎正在将研究方向转至锌电池领域。
当前，关于柔性电池的研发，已有多家初创公司涉足。根据MIT TechnologyReview的报道，加州又出现一家以研发柔性、可反复充电的电池为主的初创公司Imprint Energy.他们已经在测试超级薄的锌电池，希望最终能够把电池卖给可穿戴设备、医疗器械、智能标签、环境传感器的制造商们。
这家Imprint Energy公司的技术，主要来自联合创始人克里斯汀˙何(ChristineHo)毕业时在加州大学伯克利学院取得的研究成果：当时她与日本的一名研究人员，使用3D打印机生产出极其微小的锌电池颗粒。
众所周知，作为一种金属，锌相比锂更加稳定，不容易发生化学反应。在电解质当中，从微观层面观察，锌会呈现出像树枝一般的形态，从一个电极蔓延到另外一个电极，缩短电池电量。据此，该公司的联合创始人克里斯汀˙何开发出一种固态聚合物电解质，以避免这种问题。这种电解质还增强了锌电池的稳定性，以及反复充电的能力。
另一名公司联合创始人布鲁克斯金凯(BrooksKincaid)称，锌电池融合了薄膜锂电池以及印刷电池的优点。目前薄膜锂电池可以反复充电，不过因为包含了易起反应的物质，从而限制其储电能力，而且制造起来十分昂贵。与此同时，印刷电池虽制造起来很便宜，而且拥有很高储电能力，但无法反复充电。也就是说，Imprint Energy公司所研发的锌电池，既能制造成薄膜的样子，又可以反复充电，而且拥有很高的储电能力。
克里斯汀˙何称，其采用自己公司的评测方法评测，结果显示：当现有的柔性电池弯曲1000多次的时候就坏掉了，而锌电池还保持稳定。有业内人士指出，如果锌电池达到这样的性能，那么未来它放在衣服里就不会是梦想。而且由于锌是一种相对稳定的物质，公司在生产基于锌的电池时，不必准备防护性的生产环境，能够降低生产的成本。目前，这家Imprint Energy已经从Phoenix Venture Partners、AME Cloud Ventures两家投资公司中获得600万美元的投资。
分析人士表示，尽管ImprintEnergy才刚起步，但它的终极目标便是穿戴式设备市场，其中既包括消费市场(如耐克FuelBand和Fitbit)，也包括医疗健康市场(如植入式监测设备)，预计这种新型电池将令穿戴式设备行业受益匪浅。而鉴于穿戴式电子设备还是新兴行业，未来几年才可能成为主流，因此突破性的设计可能会彻底改变该行业。
日本低成本高性能镁蓄电池专门取代锂电池?
如今的智能手机和笔记本电脑中广泛应用锂电池，不过锂是稀有金属，其价格较高且耐热性较差。日本研究人员日前报告说，他们利用镁开发出一种蓄电池，与锂电池相比，其充电量和放电电压更高，而成本则低得多。
日本京都大学的研究人员在新一期英国《科学报告》杂志网络版上报告说，镁与锂相比有多种优点，比如锂的熔点约为180摄氏度，而镁的熔点高达约650摄氏度，因而更为安全，镁的蕴藏量也比锂丰富得多。
不过，开发镁电池也面临一些技术困难，例如此前一直没找到合适的正极材料，同时也缺乏能帮助稳定充电和放电的电解液。
京都大学教授内本喜晴领导的研究小组发现，使用一种铁硅化合物作为电池正极，以一种含乙醚的有机溶剂作为电解液，可以制作出镁蓄电池。这种电池的充电量达到了锂电池的1.3倍，其放电的电压也比锂电池高了2伏特，并且实现了稳定的充放电，其材料费用却只有锂电池的约10%。
研究小组认为，通过改良这种镁蓄电池的电解液，还能进一步增加充电量。该小组正准备进一步开展研究，缩小镁蓄电池充电和放电时的电压差，减少能量损失，以早日达到实用化。研究者认为，这种电池有望用于电动汽车、太阳能及风力发电等领域。
瑞典研究出具有高抗拉强度的碳纤维EV锂电池材料
有消息称来自瑞典的研究人员正在探索研制可用于电动汽车的碳纤维锂电池电极材料，该材料具有非常高的抗拉强度。该碳纤维锂电池电极材料将被用于电动汽车的多功能锂离子结构电池。其中，多功能锂离子结构电池能够将电池储能物质集成到汽车车身中。由于碳纤维材料具有非常高的抗拉强度和极限拉伸强度(ultimatetensilestrength，UTS)，并且其还具有非常强的锂离子集成能力。因此，碳纤维材料常被用作锂离子电池中的结构电极。
来自瑞典皇家理工学院(KTH)的MatsJohansson表示，以上电动汽车碳纤维锂电池结构电极材料研发项目主要研究目的是为了提升电池的机械特性，实现电池不仅可以存储能量而且还可以被设计集成为结构的一部分等功能。MatsJohansson还举例子道，通过利用以上电动汽车碳纤维锂电池结构电极材料可以将汽车的发动机盖设计为电池的一部分。以上多功能锂离子结构汽车电池目前已经吸引了众多的项目研究，其中包括：
来自英国伦敦帝国学院的研究人员和沃尔沃汽车技术研究人员组成了一支研究团队。该研究团队的研究目的是为了研发一种多功能锂离子结构汽车电池原型，该电池采用的是碳纤维材料和聚合物树脂，这样一来该电池不仅可以存储、释放电能，而且其结构强度高且重量轻，因此又可以用来设计制造集成到汽车零部件中。该研究项目总经费为340万欧元(约合470万美元)。项目研发人员计划利用复合材料替换掉备胎舱中的金属底板。沃尔沃汽车公司目前正在努力研究设计将该备胎舱复合材料应用到原型车中以进行试验研究。
沃尔沃汽车研究小组已经研发出了两种多功能复合材料组件并进行了实验研究，这为以上技术的后续研究打下了基础。其中，已经研发出的两种多功能复合材料组件分别为后备箱盖和充气罩，以上两种新组件均在沃尔沃S80车型中进行了实车实验。
RANGE研究计划
美国高级项目研究所能源所(AdvancedResearchProjectsAgency-Energy，ARPA-E)推出了名为RANGE的研究计划，该计划的目的是为了推动电动汽车储能介质革命性进步。在2013年，美国高级项目研究所能源所分别向四个不同的研究项目授予了总额高达875万美元的项目奖金。以上四个研究项目分别由斯坦福大学(StanfordUniversity)、加州大学圣地亚哥分校(UCSanDiego)、亚利桑那州立大学(ArizonaStateUniversity)和宾州州立大学(PennState)领导完成。其中，以上四个研究项目的研究目的均为研发多功能结构汽车用电池。
英国伦敦帝国学院研发项目协调人EmileGreenhalgh表示，以上多功能结构电池复合材料不仅可以存储并释放电能，与此同时还可以承载机械载荷。其所具备的特性在2005年被来自美国陆军研究实验室的研究人员正式实验证实。
在2005年的材料研究学会讨论会上，一篇技术文章向人们介绍了多功能发电材料和储能材料的三个应用实例：锂离子结构电池、质子交换膜(protonexchangemembrane，PEM)燃料结构电池和结构电容器。文章研究人员表示，以上新型的技术应用都经过了精心的设计，其中采用的应用材料不仅可以存储释放电能，而且还可以承载结构负载。因此才实现了多功能设计目的并大幅降低了整体的重量。
对于此技术瑞典皇家理工学院组成了一支研究小组，该研究小组成员由来自瑞典皇家理工学院的三名教授组成，其中包括化学工程教授GöranLindbergh、光纤和聚合物技术教授MatsJohansson和航空和车辆工程教授DanZenkert。此外，参与该项研究计划的还包括瑞典SwereaSICOMP和吕勒奥技术研究所(LuleåInstituteofTechnology)。
聚丙烯腈的可逆容量潜力
来自瑞典皇家理工学院的汽车和航空航天工程研究员EricJacques(其博士论文研究方向就是关于结构电池方面的)表示，碳纤维材料应用到汽车中主要有两种功能体现，其一就是作为汽车车身的轻质复合型加强材料;另一主要应用就是作为汽车锂离子电池的电极。
EricJacques表示：“我们对碳纤维锂电池电极材料研究的主要目的是为了开发一种不仅可以具有轻质材料特性同时又可以承受机械载荷另外又可以储存电能的多功能结构电池。这样一来就可以大幅降低电动汽车的整体重量。”
EricJacques和其同事于2013年在电化学学会期刊上发表了一篇关于该碳纤维锂电池电极材料研究的技术论文。论文中介绍道，在锂离子电池锂化率维持在一定值100毫安/克时，市场上出售的好几个档次的聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)基碳纤维的可逆电容量在完成十次充放电循环后均能够达到100毫安时/克甚至更高。其中，影响锂离子电池测量电容量的主要因素为锂离子电池的锂化率。经试验发现，降低通过所有实验碳纤维材料十分之一的电流大小可以使电池电容量提升100%。通过以上实验测量研究，EricJacques研究团队总结道碳纤维材料在结构电池中不仅可以作为电池阴极材料而且还可以作为电池中的集电极。
在今年早些时候，EricJacques和其同事又在Carbon杂志上发表了一篇文章。文章主要介绍了锂离子电池中锂的含量与电池中聚丙烯腈基碳纤维材料抗拉强度、极限抗拉强度之间的关系。该论文主要研究结论还包括：
锂离子电池在经过几次电化学充放电循环后，电池中碳纤维材料的强度并未出现减弱现象，并且电池的测量电容量也未受到影响。
电池中锂化碳纤维材料的极限抗拉强度会在电池使用过程有所降低，但是其会在电池脱锂过程中部分恢复，并在电池达到最大测量电容量时达到最高。但是，在电池完全充电情况下其极限抗拉强度仍低于其自身强度的40%。
电池中锂化碳纤维材料的极限抗拉强度降低的可逆性与电池碳化率和测量电容量的关系表明，电池在使用过程中碳纤维并不会受到影响，而电池中的锂在碳纤维脱锂过程中可能会发生不可逆反应。然而，电池中锂化碳纤维材料极限抗拉强度的降低与电池测量电容量并不呈线性关系。同时，在电池完全充电情况下，电池中锂化碳纤维材料极限抗拉应变要小于碳纤维材料的纵向膨胀。
以上结果表面，电池中锂化碳纤维材料极限抗拉强度的降低可能与电池中缺陷区域的锂化程度有关。其中，电池中缺陷区域的锂化程度将直接关系到电池中碳纤维材料的拉伸破坏模式。
EricJacques对此表示：“对于以上技术的研究实验呈现出了非常理想的实验结果，但是在我们推出最终的可应用电池之前我们还有非常多的工作需要去完成。”
(本文综合cnBeta.COM、中国储能网、新华网等报道。)
原标题：改写锂电池常规 7月前沿电池技术汇总
