锂电池研究未完待续

人类早已生活在一个“可充电的世界”，但真正带来电子设备便携化，开启了现代移动生活的则是锂电池。可以说，如果没有锂电池，就没有我们现在的移动智能生活。

锂离子电池经过三十多年的工业化发展，在能量密度、成本和安全性上取得了长足进步，并深入到我们生活的方方面面。

在目前广泛使用的商用锂电池中，锂离子在以特殊层状材料作为电池正负极的“主人”家里，随意地来回“串门”，以完成电池充放电工作。

锂电池领域面临诸多挑战

今年的诺贝尔化学奖授予锂电池领域，是对这个行业巨大的肯定和激励。但锂电池从诞生发展到应用推广，当下仍面临着诸多艰巨的挑战。

从1991年索尼公司商业化生产第一批锂离子电池至今，受制于锂离子电池原理的限制，现有体系的锂离子电池能量密度也已经从每年7%的增长速率下降到2%，并正在逐渐逼近其理论极限。与之相反，随着社会进步，人们对便携、清洁生活的需求更加强烈。

采用更少质量储存更多电量的电极材料，有望构筑能量密度更高的锂电池。金属锂的比容量高达 3860mAh/g，是构筑高比能电池的终极材料。但直接把金属锂作为电池负极材料使用的话，始终逃不开一个“跗骨之蛆”——枝晶（Dendrite）。面对这个造成锂电池安全隐患的“大敌”，世界各国的科学家都在进行不懈努力。

锂电池安全的大敌“枝晶”

我们都知道，电池分为正极、负极和电解质，通过氧化还原反应来产生电流。放电时，离子从负极流向正极，充电时从正极流向负极——对锂电池来说，放电时锂会被氧化成离子进入电解质最终抵达正极；重新充电时，这些锂离子会再沉积到锂金属负极的表面。

但是这种沉积往往不均匀，随着锂电池的频繁使用，锂金属表面会长出针状或树枝状的锂枝晶。枝晶生长得过长就会折断，不再参与反应，给电池体系带来不可逆的容量损失；最危险的是，长大的枝晶会刺破电池正负极之间的隔膜，造成短路，埋下电池过热自燃或爆炸的安全隐患。

锂电领域里，如何做到“鱼与熊掌兼得”？如何通过提出新原理、新体系、新方法，如何实现能量密度更高、更安全、充电更快的储能过程？这些都是锂电领域悬而未决的挑战。

在这样的形势下，涌现出了锂硫电池、锂空电池、钠离子电池等许多新体系电池。新材料的不断产生，也给这些新体系的发展带来了新机遇。

高效储能的科研“初心”

目前，中美日韩德英等国都制定了各自的电池发展战略。我国锂电研究者们在国家和社会的支持下，正围绕高效能量存储这个不变的“初心”，持续开展科学研究。

目前围绕锂电池领域主流研究方向，仍聚焦在寻找更安全高效的负极材料上。我带领的清华大学研究团队从2013年开始，在金属锂负极形核和无枝晶生长领域开展了原创性的科学研究。

我们发现，在金属锂负极中添加具有亲锂性的掺氮碳骨架，让电池中游离的锂离子在充电初始，就像小蝌蚪找妈妈一样，优先奔向青蛙妈妈——掺氮位点，在电池中形成均匀分布的金属锂“小团体”；在充电过程中，“小蝌蚪和青蛙妈妈”的“小团体“继续“抱团”。这种均匀沉积的行为可以避开以往形核少而产生的金属锂枝晶生长。

我们在上述能源化学机理的基础上，进一步设计了碳锂复合负极。这些复合金属锂负极不仅避开了危险的枝晶，还表现出了优异的电化学性能，有效提升了金属锂负极的利用效率和安全性，也为基于金属锂的二次电池提供了新的实用化探索思路和更广阔的应用前景。研究成果发表在能源领域知名期刊《焦耳》（Joule）上，当期期刊封面的图片采用隐喻方式，把采用亲锂碳材料复合的锂金属负极比喻成一艘船——有了这艘船，锂电池在可能发生安全隐患的“海洋”中进一步稳定航行。

除了锂电池之外，通过采用钠、钾、铝、锌等离子并研发其能源化学新原理，也有望提出具有独特性质的新型储能器件。除电化学储能之外，采用其他能源存储和转化方式以及新型能源载体，有望构筑具有颠覆性的储能技术，满足未来社会对于储能设备的新需求。

下一代解决能源存储与转化技术的突破，正在来临的路上。