告别电池电量焦虑不再遥远

来源：光明日报

本报北京3月22日电（记者晋浩天）

你是否想过，为何“飞行汽车”的概念提出已久，却迟迟无法真正“飞入”寻常百姓家？一个关键瓶颈，藏在它的“心脏”——电池里面。起飞时需要瞬间爆发出超高功率，长途巡航又要求容量大、续航长，还得足够轻盈——这些几乎苛刻的要求，最终都指向一个关键指标：能量密度。有没有一种电池，能同时满足这些看似矛盾的需求？这个构想正接近现实。记者日前从西湖大学获悉，该校工学院特聘研究员王建辉团队，用五年半时间让不可能有望成为可能。

王建辉介绍，故事要从锂电池的“家族病史”说起。目前商用电池的能量密度约在30至250Wh/kg，而飞行汽车理想的门槛是400Wh/kg以上。现实是，高能量密度的电池往往太贵或寿命太短，让这个概念至今停留在试运行阶段。“而锂电池有两条技术路线：一条是直接用锂金属做负极，能量密度能轻松突破500Wh/kg。但锂金属有个坏毛病——充电时，锂离子跑到负极，会像长树枝一样堆出杂乱无章的‘枝晶’，这些‘枝晶’可能刺穿电池内部隔膜引发起火，还会不断消耗锂离子，导致电池寿命骤减。这条路在20世纪80年代就被搁置了。”“另一条就是我们熟悉的锂离子电池，它给锂离子找了个‘宿主’——石墨。石墨像一栋拥有许多小公寓的大楼，锂离子在楼里进进出出，安全又稳定。但石墨本身又重又占地方，能量密度做到280Wh/kg已是理论极限。”王建辉说。

于是全球科学家将目光重新投向拥有极高能量密度的锂金属电池，还设计出一个更完美的版本：无负极锂金属电池。它制造时干脆连锂金属负极都不装了，只剩一块光秃秃的铜箔。没有预装的锂，成本更低、更安全；没有笨重的石墨，能量密度更高。

“听起来很好，可它一直并不被行业看好，因为有个致命缺陷：循环寿命极短。首次充电时，锂离子要在铜箔上‘从零开始’沉积生长。如果铜箔表面只有少数几个点能落脚，锂离子就会往那几个点挤，堆出几根大‘枝晶’。更糟的是，无负极电池的锂全部来自正极，总量固定。一旦形成‘枝晶’，就会陷入恶性循环，用不了几次，锂就耗光了。”论文第一作者、西湖大学博士后刘磊说。

团队要解决的，正是这个核心难题。他们创新研制出一种“穿梭耦合电解液”，让锂离子可以在铜箔表面实现高度可逆的“平面沉积和溶解”。想象这个画面：所有的锂金属晶粒像紧密堆叠的气球，充电时同步向上膨胀，放电时同步向下收缩，留下一个交联的网格阵列。再充电时，网格的中心优先沉积——“枝晶”消失了，副反应大幅减少。

团队还发现，这种电解液能在负极表面形成一层约8纳米厚的均匀“皮肤”，既能均匀通过锂离子，又能适应锂金属的膨胀收缩而不破裂。“这层皮肤的形成还有个意外发现：它不只是负极的功劳，还是电解液释放的中间体在正负极之间来回穿梭、协同反应的结果。团队将这种机制命名为‘穿梭耦合’，它突破了传统电解液的界面化学理论。”王建辉表示。

最终，这项研究让无负极锂金属软包电池的能量密度达到508Wh/kg，80%放电深度下稳定充放电循环突破350次，还能在零下40℃到60℃的宽温域工作，成本反而比商用锂离子电池降低15%到25%。

“一个告别电量焦虑的电池时代，或许就在不远的将来。那时，飞行汽车或许真能轻盈地跨城飞行，电动汽车续航翻倍，AR眼镜也能做得更薄。”王建辉说。