MIT锂金属电池实用性突破 能量密度为锂离子电池2倍

最近，一家麻省理工学院（MIT）的校办公司正在推广一款新型可充电的锂金属电池，这种电池的容量是锂离子电池的2倍，能够为当今的许多电子产品提供充足的动力。

2012年，麻省理工学院的一位毕业生和胡启超（Qichao Hu，音译）博士后共同建立了Solid Energy公司，该系统研发出了具有多种材料的优点的“无阳极”锂金属电池。我们知道锂离子电池因其优良的性能被广泛应用在智能手机、电动汽车、可穿戴设备、无人机以及其他设备中，而这种新研发的锂金属电池具有和锂离子电池一样的安全性和持久性，同时能量密度增加一倍。

Solid Energy的CEO胡启超说：“由于它具有普通锂离子电池两倍的能量密度，因此我们把电池的体积缩小一半时，其使用寿命不变；或者不改变电池的大小，那么锂金属电池的使用寿命将会是锂离子电池的两倍。”

这种电池把原来的阳极材料石墨换成了具有低厚度、高能量的锂金属箔，使得锂电池能容纳更多的离子，因此，它的电池容量随之增加。而且，通过对电解质进行化学修饰，使得这种锂金属电池寿命更长，可充电性能更好，安全性更高。更重要的是，这种锂电池能够使用现有的锂离子制造设备来进行生产，这就使得它能够实现大批量的生产。

在2015年10月，Solid Energy宣称，这种高能量密度的锂金属电池模型一经公布，他们便得到了投资者的1200多万美元的赞助。缩减尺寸后的锂金属电池用于iphone6，续航能力有所提高—锂金属电池储能容量为2.0Ah，锂离子电池为1.8Ah。

此后，Solid Energy计划在2017年初将这种电池推广到智能手机和穿戴设备等领域，在2018年进一步推广到电动汽车行业。而最先投入使用的将是今年11月份开展的无人机产业。“一些客户正在使用无人机和气球来向发展中国家提供免费的互联网，并且做灾害救援调查。这将是一项新颖且令人激动的应用。”胡启超如是说。

同样的，将这种新型锂电池应用到电动汽车行业也会产生“一鸣惊人”的效果。胡启超说：“电动汽车的行业标准是充电一次至少可以跑200公里，由于锂金属电池具有两倍的能量密度，当我们把电池的大小和重量缩小一半时，电动汽车依然可以运行200公里，换句话说，不改变电池的大小和重量，电动汽车可以运行400公里。”

解决电池的“瓶颈”

胡启超说：“几十年来研究人员一直在寻找可充电的锂金属电池，但是由于能量容量的问题得不到解决，所以始终一无所获，这就是像是电池的‘死穴’”。

拿锂金属电池举例，金属锂难以与电池的电解液发生反应（电解液是一种连接正极和负极之间的一种液体），且反应后形成的化合物增加了电阻，降低了电池的循环使用寿命。在阳极上，这个反应还会生成锂金属凸起，称之为枝晶，致使电池发生短路，产生高的热量使电解质燃烧，最终电池失去可充电性。

为了防止上述情况的发生，必须采取一些措施来保证电池的安全，但这需要以降低电池的性能为代价来实现。例如用导电不良且工作温度高的固体高分子电解质代替液体电解质，或者用无机电解质来替换，这些方法的缺陷是不能使锂金属电池得到大规模的应用。

麻省理工学院教授Donald研发了几种熔盐和液态金属电池，在电池研究方面赫赫有名。胡启超师从Donald，并协助其完成了在锂金属电池方面的选材和多个关键设计，这些构成了为SolidEnergy技术的基础部分。

这其中一个创新就是用超薄锂金属箔作为电池的阳极，与传统的阳极材料相比，厚度只有原来的五分之一，而且电池的体积缩小到原来的一半。

胡启超说：“但是，这种电池也有一个主要的缺点，就是必须在80℃以上才能工作，这个‘搅局者’的存在使得锂金属电池的商业应用受到了极大地限制。”

为了解决上述问题，胡启超研发了一种由固体和液体共同组成的电解质溶液，他把薄的固体电解质涂在了锂金属箔上，这样就不需要加热锂金属电池。另外，他还自制了一种新的准离子液体电解质，不易燃，并有化学修饰的分离器和电池设计，阻止它与锂金属产生反应。

“最终的结果是电池能量容量增加。锂金属电池除了有较好的安全性和较长的使用寿命外，还克服了不能在常温下工作的缺点，”胡启超这样说。

因祸得福

在商业方面，胡启超经常去马丁基金会中心，为企业家从导师和投资者那里寻求有价值的意见。他还参加了能源企业的课程并在那里成立了一个团队研究新能源电池，以实现商业计划。

随着商业计划的开始，他们的团队获得了麻省理工10万美元创业竞赛加速器大赛第一名，同时，还入围了麻省理工学院清洁能源大赛。在那之后，这个团队代表麻省理工学院在白宫参加国家清洁能源竞赛，获得第二名。

在2012年年底，胡启超准备推出Solid Energy时，研发先进锂离子电池的A123系统公司却宣布了破产，胡启超说：“电池公司的前景看起来并不是很好，但是，我认为我的公司注定不会失败，因为我的公司还没有真正开始。”

相反，这使得他们的团队因祸得福。通过胡启超的联系，他们的团队可以继续使用A123的设施，这其中包括干燥室，清洁室以及生产设备。而且，在2013年，当A123被万向收购时，Solid Energy签署了一项合作协议，可以继续使用A123的资源。

在A123实验室中，Solid Energy被迫使用已有的锂离子电池生产设备，这实际上偏离了设计新材料的初衷，成为了制造商业实用电池的工厂。Solid Energy致力于发展创新的而不是商业化的材料，因此规模不一定需要很大。胡启超说：“我们被迫使用一些适用于已有生产线的材料。从制造业的角度来看，我们要切实认清什么样的材料可以应用到这些过程中，才能够反推、设计新材料”

胡教授说：“经过三年在沃尔瑟姆共享A123的空间之后，Solid Energy将在本月把总部搬到一个新的地方，这里有最先进的实验设施，空间比之前的大十倍还多，可以容纳一架波音747的机翼，这也是为了实施商业计划而扩大生产规模的举措。”

原文链接：Doubling Battery Power of Consumer Electronics