元素周期表上的“能量革命”

图 IC

未来你的手机可能一星期都不用充电，电动汽车在零下二十摄氏度的寒冬里依然动力十足……这些美好的愿景，都和我们每天都在打交道的“电池”息息相关。中国科学院上海硅酸盐研究所的科学家们正在“驯服”元素周期表，勾勒出一幅下一代电池的蓝图。

解开镁电池的“心结”

提起电池，大家首先想到的是锂。但锂资源分布不均，还易燃。于是，科学家把目光投向了镁——镁不仅储量丰富，理论带电量高，而且不像锂那样容易在充电时形成扎破电池的“枝晶”，天生就很安全。

然而，镁也有个“心结”：它带的电荷多，像个强磁铁，在正负极之间走得很慢，尤其找不到合适的“搭档”正极材料。

上海硅酸盐所李驰麟研究员团队开发了一种特殊的电解液，就像给镁离子穿上了一件顺滑的外衣，让它能自由“奔跑”。这下，他们成功唤醒了平时很难发生反应的氟化物正极，研制出了一种新型的“镁—氟化物”电池——不仅在常温下能量密度超高，即便在-20℃的低温下，依然能够稳定输出，容量保持率令人惊喜。这个新“CP”，为开发高能量、高安全、低成本的电池开辟了一条新路。

让“水电池”脱胎换骨

如果说镁电池是未来之星，那“水系电池”就是将安全做到极致的选择。用水做电解液，从根本上杜绝了起火爆炸的风险。但水系电池也有自己的苦恼：能量密度低，寿命短。

对此，该所的刘宇和迟晓伟团队给出了极具创意的解决方案。他们从自然界生物“矿化”现象中汲取灵感，在水系锌电池的电解液里培育出一种“电子势阱”。这个“势阱”就像一位智能管家，在正极促进反应，其基于正极材料计算的极限能量密度创下文献报道的最高值1143.9Wh/kg，而组装的全电池也能实现503Wh/kg的高能量密度，并稳定循环6000次；一旦负极出现有害的锌枝晶，它又能将其原位“吃”掉，重新变成有用的离子。

在水系铁电池领域，科学家则展现了精湛的“分子裁剪”技术，设计出一种超稳定的新型铁螯合物负极。这大大提升了铁电池寿命，让它循环上万次后依然“电力十足”，为未来的大型储能电站提供了极可靠的“中国方案”。

固态电池揽下“瓷器活”

如果说前几种电池还在不断进化，那全固态电池就是电池界的“圣杯”。它用固态电解质取代易燃的液体，既安全又能装下更多能量。但如何让固态电解质和电极“无缝贴合”，一直是巨大挑战。

李驰麟团队在固态电解质和锂金属负极之间，构建了一个精巧的“异质结构导电界面”，像用无数只微小的手，将界面牢牢“铆”在一起，确保了离子和电子的顺畅传输。在评估金属锂负极稳定性的关键测试中，用这个方法保护的锂对称电池，可以稳定循环超过一万小时而不发生短路，相当于能稳定运行超过一年！这为打造长寿命的全固态锂电池奠定了坚实基础。

令人振奋的是，他们用“热熔—渗透—键合”工艺，成功让难伺候的高电压氟化物正极“安家”在固态电池上，并且实现了极高的正极负载量，造出了一款能量密度和循环性能都极为出色的全固态锂电池。 本报记者 郜阳