讓電動汽車擁有更長的續(xù)航里程，讓儲能裝置存儲更多的電量,讓手機(jī)等電子產(chǎn)品擁有更長的待機(jī)和使用時間……一切應(yīng)用場景，都在呼喚更高容量的電池。

以鋰離子電池為代表的新型二次電池如今已經(jīng)和每個人的生活密切相關(guān)，具有更高容量在鋰離子電池和新興的鈉離子電池的主要組成部分中，以過渡金屬氧化物為主的正極材料是提高能量密度的主要制約因素。因此，如何提高正極材料的容量是當(dāng)今科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界和全社會共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

近日，東北大學(xué)冶金學(xué)院副教授代克化與美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員合作，在影響高容量鋰/鈉離子電池正極材料循環(huán)壽命的關(guān)鍵問題上取得重要理論突破。該項成果于近日在細(xì)胞出版社旗下能源領(lǐng)域旗艦期刊Joule上在線發(fā)表，業(yè)內(nèi)評價這一研究將為人們進(jìn)一步開發(fā)高容量、長壽命的新型二次電池正極材料提供方向性理論依據(jù)。

關(guān)注焦點(diǎn)問題

在電池充放電過程中，隨著電流的發(fā)生，電池內(nèi)部也在發(fā)生得失電子的氧化還原反應(yīng)，這些反應(yīng)是影響電池容量的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的正極材料，只有金屬離子發(fā)生這樣的反應(yīng)。近些年的研究則發(fā)現(xiàn)，設(shè)計新的材料，激活其中的氧元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可以額外獲得一倍以上的容量，從而有望大幅提高電池的能量密度。

但是這種新的化學(xué)反應(yīng)上空還飄浮著一朵致命的“烏云”，這就是反應(yīng)的可逆性。反應(yīng)必須高度可逆，電池才能在大幅提高容量的同時擁有長壽命。

此前一些研究學(xué)者認(rèn)為，只有昂貴的釕、銥等元素氧化物才可以實現(xiàn)氧的可逆反應(yīng)，這就必然大幅度提高電池成本；還有一些學(xué)者認(rèn)為氧反應(yīng)從根本上難以實現(xiàn)可逆，所以應(yīng)該抑制它來提高正極材料循環(huán)壽命。因此，對低造價（不含四五周期金屬元素）過渡金屬氧化物中晶格氧的氧化還原反應(yīng)可逆性的確切、可靠、定量的分析成為當(dāng)下至關(guān)重要的焦點(diǎn)問題。

“選擇這個課題，就是因為電池的能量密度，是全社會矚目的焦點(diǎn)，也是電池領(lǐng)域最重要的研究方向。”代克化向《中國科學(xué)報》解釋說，而提高能量密度的重要途徑之一就是研究開發(fā)基于新的電子轉(zhuǎn)移機(jī)理的材料。

他表示，陰離子（主要是晶格氧）氧化還原就是這樣的新機(jī)理，對其進(jìn)行方便可靠的定量，是研究其可逆性、調(diào)控、演變的基礎(chǔ)，是整個領(lǐng)域內(nèi)的迫切需求。

通力合作獲突破

本項研究從開始到發(fā)表，花了將近兩年的時間，論文長達(dá)24頁，在這個雜志中屬于最長的論文之一。“可以說傾注了我們大量的心血?！贝嘶硎?。

獨(dú)木難成林，與代克化一同投入研究工作的還有他的兩名搭檔——美國勞倫斯伯克利國家實驗室終身研究員楊萬里、劉杲。“我們?nèi)齻€人已經(jīng)有多年的合作基礎(chǔ)，會不定期開會討論最新的科研進(jìn)展和接下來的選題，并交流分析最新的數(shù)據(jù)，探究數(shù)據(jù)背后的科學(xué)信息，凝練思想。正如論文最后作者貢獻(xiàn)部分寫的，我們?nèi)齻€共同領(lǐng)導(dǎo)了本課題，并與其他作者分工合作，共同完成了本項研究。”

提到研究難點(diǎn)，代克化表示，文章既包括了陰離子氧化還原的定量，也包括了陽離子氧化還原的定量，橫跨鈉離子電池和鋰離子電池兩個領(lǐng)域，涉及材料制備、電化學(xué)分析、XAS和RIXS兩種芯能級X射線譜學(xué)技術(shù)和大量的材料物理化學(xué)知識，所以是難度相當(dāng)大的一項工作。

特別是晶格氧的氧化還原定量表征，是公認(rèn)的難題，“我們經(jīng)過了多種方案的反復(fù)嘗試比選，最終才確定了論文中的方案”。代克化表示，同時研究者對結(jié)果慎之又慎，和審稿人就每一個細(xì)節(jié)進(jìn)行了反復(fù)交流，“文章是經(jīng)歷了‘千錘百煉’的”。

目前，該論文已經(jīng)論證在廉價的第三周期過渡金屬氧化物中實現(xiàn)高度可逆且穩(wěn)定循環(huán)的晶格氧反應(yīng)是可行的，但要實現(xiàn)這類材料的應(yīng)用，還需要克服的難點(diǎn)有容量衰減、電壓衰減、充放電電壓滯變、快速充放電以及和負(fù)極的匹配等問題，還需要材料和電池領(lǐng)域的研究人員進(jìn)行大量的工作。對此，代克化滿懷信心，“我們已經(jīng)看到了光明，未來十分有望實現(xiàn)應(yīng)用”。

不同方向齊發(fā)力

因為電池容量問題是產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的焦點(diǎn)，研究者也有很多。在2018年初，日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）公布，他們的一個研究小組成功合成了氧化錳納米片和石墨烯交替重疊的材料，而這種新型負(fù)極材料可提高電池容量兩倍以上。

據(jù)悉，研究小組在溶液中分散氧化錳納米片并與石墨烯混合，合成了交互多層的層壓復(fù)合材料，而此次通過把兩種物質(zhì)從分子水平復(fù)合得到的復(fù)合材料，獲得了單獨(dú)材料難以實現(xiàn)的高特性。

對此，代克化評價道，提高負(fù)極容量對于電池整體容量提升也非常重要，以上成果展示了很高的容量和優(yōu)秀的循環(huán)性能，具有重要意義。但是要走向?qū)嵱茫€需要克服首次效率太低和堆積密度太低的缺陷。

關(guān)于電池材料，還有硅、石墨烯、陶瓷材料等多種材料也不斷取得新的研究進(jìn)展，最具發(fā)展前景的研究方向有哪些？

代克化認(rèn)為，硅、石墨等屬于負(fù)極材料（陽極材料，Anodematerials）。負(fù)極材料從比較可能應(yīng)用的角度看，硅碳復(fù)合材料、氧化硅、鈦酸鋰等材料實用化前景比較明朗。高容量正極材料（陰極材料，Cathodematerials）目前正在走向?qū)嵱没氖歉哝嚾牧?、富鋰錳基材料等。全固態(tài)電池也是非常有前景的發(fā)展方向，因為可以通過使用鋰金屬做負(fù)極實現(xiàn)電池的高容量。

“很難說哪個方向最具有前景，因為從歷史上看，科技的未來很難準(zhǔn)確預(yù)測，所以需要不同研究方向的科研人員共同攻關(guān)，大家分工合作，共同向更高的目標(biāo)邁進(jìn)?！贝嘶硎荆斑@種不確定性正是科學(xué)的魅力所在?！?/p>