第4章 电池领域的创新信息(3)

姬立文表示：“对这个系统来说，锡薄膜形成这些锡纳米柱非常重要。而且，我们也发现，最上层石墨烯和最底层石墨烯之间的距离握，也会不断变化，以适应锡层高度的变化。”

新纳米复合材料中石墨烯层之间的高度变化，会对电池的电化学循环有所改善，锡高度的变化会改进电极的性能。另外，这种适应性也意味着电池能被快速地充电，而且重复充放电也不会降低其性能，这对电动汽车内的可充电电池来说非常关键。

（4）研制成性能优异的“沙基锂离子电池”。2014年7月，美国加州大学河滨分校在读研究生扎卡里·费沃斯主持的一个研究小组，在《自然·科学报告》杂志上发表论文称，他们开发出一种新型锂离子电池，其性能和使用寿命，比普通锂离子电池高出3倍以上。更让人称奇的是，制造这种电池所需的主要原料，既不是什么“高大上”的石墨烯，也不是什么稀有珍贵的化合物，而是普通得不能再普通的沙子。研究人员称，新技术有望打破，目前智能手机等电子产品所面临的电池瓶颈，让一天一充成为历史。

费沃斯称，他是半年前在加利福尼亚州圣克莱门特的一处海滩边冲浪时，萌生用沙子制造电池这一灵感的。他的主要研究方向是为个人电子产品和电动汽车开发出性能更好的锂离子电池，当时正在为新型电池寻找理想的阳极材料。

目前，绝大多数的锂离子电池都采用石墨作为阳极，但是随着科技的进步，石墨作为阳极的潜能几乎已经被开发殆尽。不少科学家都开始寻找更好的替代材料，其中纳米尺度的硅就是重要的一种。但随后人们发现，传统方法制造出的纳米硅极易发生降解，且难以大规模生产，无法满足电池商业化生产的需要。

费沃斯希望由石英和二氧化硅构成的沙子，能帮助他解决这两个难题。他把沙子带回了实验室，将它们研磨成纳米尺度大小，随后又进行了一系列纯化步骤，这些沙子逐渐从棕色变为了明亮的白色，就像绵白糖一样。而后，他又将盐和镁以同样的方法进行研磨，再将这三种物质混合起来进行加热。在加热的过程中盐和镁能够帮助石英去除氧，得到纯纳米硅。而让他惊喜的是，与传统工艺生产出的纯硅不同，这种纯纳米硅具有海绵一样的3D多孔结构，且极为稳定。这种多孔结构，已经被证明是提高纳米硅电池性能的关键。

实验显示，用这种纳米硅电极制成的新型电池，可将目前电动汽车的预期寿命提高至少3倍以上。而如将其用于智能手机电池，则有望将一天一充变成三天一充。目前，费沃斯研究小组正在试图用沙子生产出更多的纳米硅，并计划为手机等移动电子设备，制造出体积更小容量更大的电池。

（二）开发具有轻薄柔韧特点的新型含锂电池

1.研制轻薄可弯曲锂电池的新进展

（1）研制出如纸般轻薄型锂电池。2007年8月，美国伦斯勒理工学院，化学家罗伯特·林哈德、材料学家普利克尔·阿加延以及工程师奥姆卡拉·纳拉马苏领导的研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表研究论文称，他们近日研制成功一种纸般轻薄的锂电池。该种电池有望成为一种集柔韧、便宜及环保于一身的新型能源。

传统的电池具有三个要素：由阴阳离子组成的电解液、两个由不同材料构成的电极以及一个能让阴阳离子通过向相反方向运动的隔离膜。很多科学家都曾试图制造体积更小、更柔韧的电池，但均未取得大的突破。很大一部分原因在于，很难将电池的这几个要素组合到更薄的材料中去。

在这项研究中，该研究小组把纤维素作为了新的实验对象。他们将用来造纸的纤维素溶解在盐溶液里，加入碳纳米管并使混合物干燥。由此产生一种似纸的薄膜，一面为白色，另一面因含有碳纳米管而呈现黑色。研究小组接下来用六氟磷酸锂溶液将纤维素浸湿，并用金属锂覆盖薄膜的白色面。一种新型纸电池诞生了，碳纳米管和金属锂分别代表两个电极，所用溶液提供了电解液，而纤维素的作用就类似于隔离膜。

在2伏的电压下，这种新型纸电池每克能产生10毫安的电流。研究人员用这种电池能够带动电扇及点亮二极管灯泡。若将多个这种电池叠放在一起，能量也会成倍增加。林哈德表示，与其他类的柔韧电池不同，这种纸电池是十分完整的。

这种电池的好处还有很多。在零下70～150℃的温度区间，它都能正常使用。它保留了纸的柔韧性，又因为90%都是纤维素，所以批量生产将十分便宜。另外，它的毒性很小，很适合在起搏器等医疗器械上使用。

加拿大艾伯特大学的电子工程师杉迪盘·普拉马尼克对此项发明评价甚高，称其十分鼓舞人心。他认为，该种新型电池也将会给手机和笔记本电脑提供更好的能源，不过研究人员还需要找到一种合适的大规模生产的方法。

（2）发明可像印刷报纸一样生产的超薄锂离子电池。2009年7月6日，《每日科学》网站报道，德国开姆尼茨弗劳恩霍夫研究所的莱因哈德·鲍曼教授和Menippos公司的专家组成了一个研究小组，研制出一种可通过印刷方法生产的高效能电池，它不但价格便宜，而且外形小巧，厚度不到1毫米，质量不到1克。

很长一段时间里，电池一直是笨重的。现在，这种新型超薄电池将引起一场电池领域的革命。研究人员通过利用纳米技术将普通锂离子电池缩小并封闭到一张纤维素纸张上。它的厚度不到1毫米，质量不到1克，还能像印刷报纸那样“印刷”电池，廉价地大规模生产这种高效电池。

鲍曼说：“我们的目标，是能够低成本地大规模生产这种电池，成本最好是以美分计算。”

可印刷电池与普通电池有很大的不同。因为它放到天平秤上不到1克，厚度还不到1毫米，因此可以将其嵌入银行卡。电池不含有汞，十分环保。其电压为1.5伏，属于正常电压范围。可以将电池堆叠起来提高电压，得到3伏、4.5伏和6伏的电池，为任何电子产品提供电能。这种新型电池由不同层次组成：锌阳极和锰阴极等。锌和锰发生反应，产生电力。然而，阳极和阴极层在化学反应过程中逐渐消失。因此，该电池的寿命是有限的。

该款电池采用丝网印刷方式生产，类似于制造T恤衫。单层比头发丝还薄。研究人员已经在实验室研发出这款电池。预计到2009年年底，第一批产品可能会生产出来并投入市场。

（3）印刷形成超薄可弯曲全固体锂聚物充电电池。2010年5月，《日经电子》报道，三重县产业支援中心、三重大学新一代电池开发中心、三重县工业研究所、铃鹿工业高等专业学校、金生兴业等单位组成的一个研究小组，正在开发以超薄可弯曲为特点的片状锂聚合物充电电池。该电池为使用固体电解质的全固体型，着火及爆炸的可能性大幅降低。另外，还可利用基于印刷技术的卷对卷工艺进行制造也是其一大特点。

对片状全固体锂聚合物充电电池的试制线考察发现，试制线大体分为两部分，一部分是三重大学新一代电池开发中心内的设施；另一部分是三重县产业支援中心先进材料创新中心内的设施。首先利用前一设施分别制造带正极层的树脂片材和带负极层及固体电解质层的树脂片材，然后再用后一设施对这些片材进行黏合，并实施向叠层内封装。

三重大学新一代电池开发中心内的设施，通过事先将室内露点温度调节至零下40℃的干燥状态，彻底排除水分后，可形成电极层及电解质层等。设施内设有在树脂片材上涂布电极层及电解质层的装置，以及在涂布后对各层进行改质的电子射线照射装置等。

各层的形成工序按如下步骤进行。首先在树脂片材上涂布负极材料并于干燥后照射电子射线，接着在涂布电解质层材料并干燥后照射电子射线。正极层是在另一树脂片材上涂布正极材料并干燥后照射电子射线。涂布用的电解质材料，由聚环氧乙烷类高分子材料混合交联剂制成。在电子射线照射下，高分子材料便会交联。负极材料及正极材料中，除活性物质外还混入了高分子材料，通过照射电子射线实现交联。正极使用LiFePO₄与碳等的复合体，负极使用Li₄Ti₅O₁₂与石墨及硅的复合体。

厚度方面，带负电极层和电解质的树脂片材，只有70多微米。带正电极层的树脂片材为30微米左右，两张片材黏合后仅为100微米左右。

在新一代电池开发中心进行电极层及电解质层成膜后的树脂片材，接下来被运至三重县产业支援中心先进材料创新中心，组装成片状全固体锂聚合物充电电池。试制室的露点湿度为零下30℃左右，在极力排除水分后形成了可试制电池的状态。

从新一代电池开发中心运抵的各片材首先会被裁切成所希望的尺寸。目前可试制的尺寸为B5、A6、A7及A8。这是由试制装置的尺寸所决定的，但反过来说，如果能够使用更大尺寸的装置，还可实现超过B5的大尺寸片状全固体锂聚合物充电电池。

接着，把裁切好的片材置于真空状态（-0.1兆帕左右）下进行加热（80～200℃），用大约8小时来排除各层中的水分。干燥后，将负极+固体电解质的片材与正极片材以固体电解质层与正极层接合的状态进行粘合，并封装到叠层内。在真空状态下（-0.1兆帕左右）对叠层周围进行压接，最后对作为电池端子的电极进行超声波焊接，即可形成片状电池。封装到叠层后的电池厚度为450微米。

（4）研制出电量可提升3倍的超薄锂离子电池。2013年12月，日本媒体报道，日本积水公司一个研究小组，研发出新型的超薄锂离子电池，它与传统的蓄电池相比，不仅在蓄电能力上是原来的3倍，同时具有更安全、充电速度更快等特点。这种电池通过特定的涂层，可以更好地把电力通过真空灌注等方式，呈现出高性能固化电解质物质，比原来传统的蓄电池拥有更强的蓄电能力。

另外，除了蓄电能力大幅提升，新型的电池还具备可弯曲和超薄等特点，可以覆盖到大部分物体的表面。它可以适应任何环境的要求，并且非常节省空间。设备商们可以根据不同的应用范围和使用领域，定制不同的形状。这种新型电池，可以完全融入产品的设计理念中，与产品浑然一体，并且自由组合。

目前，普通的电动汽车一般搭载20千瓦的蓄电池，仅电池成本就高达12万元人民币。采用该技术后，电池成本将下降60%，每千瓦生产成本将从5940元人民币，下降到1780元人民币。汽车厂商指出，若电池成本降到每千瓦1780元人民币，电动汽车价格将和普通汽车持平，并且在充满电后续航里程将达到600千米，与普通的汽车相比并不逊色。

积水公司表示，这种新型电池将会在几周之后的东京国际展览中心正式对外发布，并且公司未来还会不断针对该产品进行进一步的研发和改良；同时，会在2014年夏季正式向全球的电池厂商提供测试材料样品，努力在2015年实现量产。看来，至少这种新兴的电池产品未来将会给电子设备和电动汽车行业带来非常巨大的影响。

2.研制可折叠可伸缩锂电池的新进展

（1）研制可用折叠提高能量密度的纸基锂离子电池。2013年10月，美国亚利桑那大学材料科学与工程副教授坎迪斯·詹等人组成的一个研究小组，在《纳米快报》上发表论文称，他们开发出一种纸基锂离子电池，能做多次对折或其他形状的折叠，由于折叠后变得更小，表面能量密度和电容可增加14倍。这种折叠纸基电池柔韧灵活，成本低，可辊轴制造，有望进一步开发为多用途的高性能电池。

传统锂离子电池是用锂基粉末作电极，而这种折叠锂离子电池是用碳纳米管（CNT）墨水作电极，用纤薄透气的实验室用薄纸巾作基底，并涂上一层聚偏二氟乙烯涂层增强碳纳米管墨水和纸基间的黏附力。最后，电池显示出优良的导电性和相对稳定的电容。

研究人员对电池进行了折叠实验，先简单对折，然后用更复杂的形状进行折叠成型。简单对折一次、两次和三次后，其表面能量密度和电容分别比未折叠的平面电池提高1.9倍、4.7倍和10.6倍；用复杂形状折叠则效率更高：把一张6厘米×7厘米的纸电池折成25层后，整体面积只有1.68平方厘米，而表面能量密度和电容均增加到14倍。

坎迪斯·詹解释说：“我们用‘面’密度，来表示每英寸打印面积上能量密度的增加，这与质量的能量密度不同。因为电池在折叠和展开时质量不会变，所以‘面’密度能更清楚地表明我们指的是哪种密度。”

随着几何折叠算法、计算机工具和机器人操作的发展，更复杂的折叠类型，将会开发出大规模制造，并用于商业用途。坎迪斯·詹说，将折纸概念与纸基能源存储设备结合，会带来形状、几何设计以及功能上的更新，这方面有着无穷的可能性。未来将开发出电源及其他组件集成为一体的可折叠设备。