為突破現有鋰電技術瓶頸，中國科學院深圳先進技術研究院唐永炳研究員及其團隊成功研發出了一種具有普適性的新型高效、低成本鋁基鋰離子電池，有望打破現有鋰電產業格局。這項相關研究成果“A Novel and Generalized Lithium-Ion Battery ConfigurationUtilizing Al Foil as Both Anode and Current Collector for Enhanced Energy Density（一種新型普適的基于鋁箔負極/集流體的高能量密度鋰離子電池）”已經在線發表于材料頂級期刊《Advanced Materials》上（DOI: 10.1002/adma.201604219），并申請1項國際發明專利（PCT/CN2016/081346）。
眾所周知，新能源汽車和新能源產業是我國《“十三五”戰略新興產業發展規劃》中的支柱性產業，它的飛速發展則要求作為動力來源或能量儲存的儲能器件不斷提升綜合性能，有效降低制造成本。鋰離子電池，作為一種常用二次電池，具有循環壽命長、無記憶效應等優點，已經成為便攜式電子設備、電動汽車、清潔能源等領域的主要能量轉換和存儲設備。先來看看傳統鋰離子電池。自1991年由索尼公司商業化以來，已有26年的發展歷程。它主要由正極活性材料、負極活性材料、電解液、隔膜、集流體等主要部分組成。工作原理是依靠鋰離子在正極與負極之間來回移動（嵌入和脫嵌）來實現電池的充放電過程（“搖椅式電池”）。充電時，鋰離子從正極材料（金屬含鋰化合物，如鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰等）中脫出，經過電解液嵌入負極材料（石墨、鈦酸鋰等材料），負極處于富鋰狀態；放電時則相反。然而，由于受到正負極材料理論比容量較低的限制，目前商用鋰離子電池存在能量密度較低、生產成本較高、資金投入大等問題，越來越難滿足電子智能終端產品、電動汽車、儲能電站等領域對高能量密度、低成本儲能器件的要求制約了儲能產業的快速發展。
這種新型鋁基鋰離子電池有效地解決了傳統鋰離子電池的缺點。它的構造直接采用鋁箔同時作為電池負極和集流體，替代了傳統鋰離子電池的石墨負極和銅箔負極集流體；正極材料仍采用現有技術中的鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等；電解液為含有鋰鹽和添加劑的碳酸酯類溶劑。這樣的新型電池具有全新的工作機理：充電時，鋰離子從正極材料中脫嵌出來，運動到鋁箔負極表面，并與鋁形成鋁鋰合金；放電時，鋰離子從鋁鋰合金中脫出，又嵌入到正極材料中。由于金屬鋁具有優異的導電性，并且具有高的嵌鋰比容量（AlLi合金的理論比容量993mAh/g），以及適中的嵌鋰電壓平臺（~ 0.3 V），因此鋁作為負極具有明顯的優勢。此外，在該新型電池體系中，鋁箔同時作為負極活性材料和負極集流體，不僅可以大幅降低電池自重和體積，顯著提高質量和體積能量密度，而且大幅降低了物料成本，并縮短了制造流程，從而大幅降低了生產制造成本，具有廣泛的市場應用價值。
圖（a）基于石墨負極和鈷酸鋰正極的傳統鋰離子電池充放電機理示意圖；（b）基于鋁箔負極和鈷酸鋰正極的新型鋰離子電池充放電機理示意圖
初步的研究結果表明，基于鋁箔負極的新型電池體系具有較高的比容量，較好的循環穩定性，以及較高的能量密度，并且采用不同的正極材料，均表現出良好的電化學性能，顯示出良好的普適性：采用鈷酸鋰為正極、鋁箔為負極的全電池（LCO-Al）能量密度可達到263Wh/kg，充放電循環250次后電池容量保持在81%；以磷酸鐵鋰為正極、鋁箔為負極的全電池（LFP-Al）能量密度達到163Wh/kg，充放電循環500次后電池容量保持在84%；以鎳鈷錳酸鋰三元材料為正極、鋁箔為負極的全電池（NCM-Al）能量密度達到258Wh/kg，充放電循環250次后電池容量保持86%。
值得一提的是，前期研究所采用的正極材料并非最佳，如果后續優選更好的正極材料，電池的電化學性能有望獲得進一步提升。同時，隨著該電池技術的優化，電池的循環穩定性等也將再進一步提高。
不僅如此，該新型鋰電技術可相應的調整正極材料，從而使該技術運用到所有傳統鋰離子電池能運用的領域：在便攜式電子產品領域，可以運用到電腦、平板電腦、移動電話、數碼相機、隨身聽、電子辭典、影音播放之硬件設備或數字音頻播放器等產品；在電動交通工具中，一些小型的諸如電動自行車、電動摩托、電動助力車、電動汽車等代步動力型產品，以及一些大型的諸如電動及混合動力大巴、電動轎車、小客車、商務車、面包車、吉普車、跑車等也都是它大顯身手的領域；甚至在大型動力電源中，艦船動力、航空航天動力、裝甲動力以及儲能電站等方面的運用前景也十分廣闊；它同樣可以應用于二次充電及儲能領域，如電動玩具、無人機、風能及太陽能儲能電源、電動工具等產品。
這項研究成果在上述諸多領域都具有如此巨大和廣泛的產業化應用前景，伴隨著該技術的完全成熟，它必將會改變現有鋰離子電池產業的格局。
唐永炳：博士、研究員，中科院深圳先進技術研究院功能薄膜材料研究中心主任。主要研究領域：基于非貴金屬負極的新型鋰離子電池及關鍵材料，基于非貴金屬負極、石墨正極的堿金屬離子二次電池等。主持和參與10多項國家自然基金、廣東省創新團隊項目、香港科技創新署和中科院的相關科研項目。在材料領域著名國際期刊發表SCI論文近80篇，他引1900余次，申請和授權發明專利75項。獲獎及榮譽： 中科院院長獎, “劉永齡”獎, “師昌緒”獎,“葛庭燧”獎, 深圳市B類孔雀人才計劃等。
（編輯：小智）
