第9章 电池领域的创新信息(8)

沃德介绍说，这种胶状物看起来是固态的，但其中70%的成分是液体电解质。它可以很好地起到传统锂电池中液态电解质的导电作用，在此基础上制成的新型锂电池的功能与传统锂电池相当。

新型锂电池的一个重要优点是在安全方面。传统锂电池因为使用液态电解质，如果封装工艺不好，起火和爆炸的风险相对较高，这方面的新闻不时见诸报端。使用胶状物的新型锂电池相比之下就要安全得多。

此外，由于这种胶状物易于生产、切割和成形，新型锂电池的生产成本也较低。据报道，这种新型锂电池的价格，只有传统锂电池的10%～20%。研究人员因此认为，这种安全且廉价的新型锂电池有望被广泛用于各种电子产品中。

（2）研制出可防止锂离子电池意外爆炸的新技术。2016年1月11日，斯坦福大学材料科学与工程教授鲍哲楠领导，她的同事陈正、崔毅等人参与的研究小组，在《自然·能源》期刊中发表论文说，他们研发出一项新技术，可以有效防止锂离子电池发生爆炸。这项技术使电池可以在过热之前关闭，在温度降下来后迅速重启。

鲍哲楠说：“人们尝试了多种策略来解决锂离子电池意外爆炸的问题。我们研制的技术使电池首次可在反复加热和冷却循环中关闭和重启，且性能不会受到影响。”

传统的锂离子电池包含两个电极，电极之间是携带带电离子的液态，或凝胶状的电解质。刺穿、短路或过度充电都会使电池产生热量。如果温度达到约150℃，电解质就会着火并引发爆炸。有几种技术已经被用来防止电池爆炸，例如在电解质中加入阻燃剂，或在电池过热之前发出警报。但是这些技术都是不可逆的，也就是说电池在出现过热之后就无法再次使用了。

为了解决这一问题，该研究小组把目光转向了纳米技术。在实验中，他们在带有纳米级凸起的镍颗粒表面覆盖了一层石墨烯，并将这些颗粒嵌入具有弹性的聚乙烯薄膜中。论文第一作者陈正说：“我们将聚乙烯薄膜与一个电极连接起来，这样电流可以通过它。为了导电，那些带凸起的镍颗粒需要彼此接触。但是在热膨胀过程中，聚乙烯薄膜被拉伸，这些镍颗粒就相互分开了，这就使薄膜不再导电，电流就不会通过电池。”

研究人员把电池加热到70℃以上后，聚乙烯薄膜迅速膨胀，镍颗粒相互分开，电池不再工作。但是当电池温度回落到70℃以下，聚乙烯薄膜收缩，镍颗粒回到相互接触状态，电池开始继续产生电流。他们甚至可以把温度调高或降低，这取决于嵌入了多少镍颗粒，以及选择什么样的聚合物材料。

崔毅说：“与之前的方式相比，我们对电池的设计提供了一种兼具高性能和安全性的可靠、快速且可逆的技术策略。这种技术策略具有非常好的应用前景。”

（二）研发锂离子电池过程出现的新工艺

1.开发降低锂离子电池成本的新工艺

研制出让锂离子电池成本减半的新工艺。2015年6月，美国麻省理工学院陶瓷工艺教授、24M公司联合创始人蒋业明领导的研究小组，开发出一种制造锂离子电池的先进工艺，不仅有望显著降低生产成本，还能提高电池性能，使其更易于回收。

现有的锂离子电池制造方法还是20年前发明的，效率低下，过程烦琐。蒋业明研究小组于5年前提出“液流电池”概念，以带有细微颗粒的悬浮液作为电极，通过泵送的方式在电池中循环。但分析表明，液流电池系统适合于低能量密度电池，对于锂离子电池这样的高能量密度设备而言，意味着成本的增加。

为此，该研究小组改进设计，新版本被称为“半固体电池”：电极材料不流动，是一种类似于半固态的胶体悬浮液。据报道，不同于标准工艺需要在衬底材料上添加液态涂层，然后等材料干后才能开始下一道工序，新方法让电极材料始终处于液态，根本不需要干燥。该系统通过使用更少但更厚的电极，将传统电池结构中的分层数量，以及非功能性材料的用量，减少了80%。

蒋业明说，新工艺极大地简化了制造过程，生产成本可降低一半，电池具有柔性并且更加耐用，不仅可弯曲、折叠，即使被子弹穿过也不会受损。这种方法还可以按比例扩大生产，据他估计，到2020年，每千瓦时容量的成本将降至100美元以下。

目前，24M公司已经在原型生产线上制造了大约1万块这样的电池，其中大部分正在接受3个工业合作伙伴的测试，包括泰国的一家石油公司和日本重型设备制造商IHI株式会社。新工艺已获得8项专利，另有75项专利正在接受评审。

2.开发延长锂离子电池寿命的新工艺

发明延长充电锂离子电池寿命的“盐浴”新工艺。2016年6月14日，澳大利亚媒体报道，澳大利亚联邦科学与工业研究组织电池专家亚当·贝斯特、昆士兰科技大学的副教授安东尼·奥穆兰，以及皇家墨尔本理工大学相关专家组成的研究小组，发明了一种“盐浴”的简单工艺，可以延长充电锂离子电池的寿命，有望打破目前电动汽车的电池续航瓶颈。

该研究小组发现，在电池组装前，将锂金属电极浸没在含有离子液和锂盐的混合电解液中，这样预处理后电池的续航时间可延长，性能和安全性得到增强。

离子液也称常温熔盐，是一种透明、无色、无味，且阻燃的独特液体。这些材料可以在电极表面形成一层保护膜，使电池在使用时保持稳定，解决了充电电池易着火、爆炸的问题，此外，这样处理过的电池还能放置长达一年而性能不减。

贝斯特说，用这种工艺预处理过的电池，其性能理论上强于目前市场上其他所有常规锂电池。

新一代动力电池是电动汽车行业发展的关键。这种简单的“盐浴”预处理将加速新一代储能工艺的研发，进而解决目前电动汽车行业的“电池续航能力焦虑”，通过提高电池的续航和充电能力，使电动汽车在不久的将来真正能与传统汽车抗衡。

奥穆兰说，电池厂商很容易采纳这种新的电池处理工艺，只需对现有生产线稍作转换即可。

“盐浴”中使用的混合电解液，包含有多种化学成分，澳大利亚联邦科学与工业研究组织拥有相关专利。研究人员目前正在研发基于这一技术的电池，同时寻找合作伙伴将其商业化。

第二节 研制燃料电池的新进展

一、研发燃料电池的新成果

（一）研制多材质多用途的固体氧化物燃料电池

1.开发不同材质的固体氧化物燃料电池

（1）用丙烷开发成功便携式固体氧化物燃料电池。2004年11月1日，美国纳米动力公司首席执行官基思·布莱克利，在德克萨斯州圣安东尼奥举行的燃料电池研讨会上宣布，他们开发成功了便携式固体氧化物燃料电池。它以丙烷气为燃料，每填充一次燃料，大约可连续24小时输出50瓦的电力。

该燃料电池的名称为“变革50”。公司研究人员表示，这种燃料电池的用途主要是：“士兵装备的燃料供给、充电电池的便携充电系统、户外照明和广告系统、自动售货机电源以及电动工具等。”

便携式固体氧化物燃料电池具有发电效率高的特点，同时工作温度也需要达到1000℃的高温。该公司通过在陶瓷材料技术和电池单元的设计上加大研发力度，可以在600～850相对较低的温度下驱动。

特性方面，布莱克利表示：“电池单元的单位面积的输出功率密度为1瓦/厘米²。单位质量的能量密度为3000瓦时/千克。”另外，薄膜等材料均为该公司自主开发。

（2）用丙烷研制成具有良好隔热效果的燃料电池。2005年6月，美国媒体报道，加州理工学院索西纳·黑尔博士，与南加州大学及西北大学相关专家一起组成的研究小组研制成丙烷燃料电池。原先研制的燃料电池，一般是利用氢或甲醇工作，而丙烷具有很大的能量密度，因此它能以紧凑压缩状态保存，能大大增加燃料电池的容量，更适合为日常电子仪器供电。

新型丙烷燃料电池，属于固体氧化物燃料电池一类燃料电池系列，固体氧化物燃料电池通常利用燃料与氧气的混合物来工作。丙烷燃料电池结构简单，并且非常致密，它只有一个氧气和燃料入口和一个排气出口。

为了使丙烷在燃料电池中产生电能，科学家不得不寻找新颖的方案，在电池中采用钡、锶、钴、钌和铈。

研究人员说，燃料与氧气混合物在放热反应中被部分氧化，放热反应使燃料电池加热到600℃，不过，该装置具有良好的隔热材料，使用过程是安全的。除此之外，特殊的换热器确保来自燃料电池的炽热气体，把自身的高温传递给进入内部的冷气体。

（3）用天然气研发出固体氧化物燃料电池系统。2011年1月，芬兰国家技术研究中心发布公报说，该中心研发出独特的燃料电池系统，能够以天然气为燃料并网发电。其独特性在于，利用10千瓦级的单个平板式固体氧化物燃料电池堆来生产电能。

单个燃料电池功率有限，为增强其实用性，研究人员把若干个燃料电池以串联、并联等方式组装成燃料电池堆。平板式固体氧化物燃料电池堆是一种形似“多层夹心饼干”的组装结构。

芬兰国家技术研究中心的专家介绍说，他们在两个月前，首次把10千瓦级的单个平板式固体氧化物燃料电池堆组装成系统，并在实际运行条件下进行测试。

该中心指出，提高单个燃料电池堆的功率可为将来建造大规模固体氧化物电池发电厂创造条件。目前市场上单个平板式燃料电池堆的功率多为0.5千瓦到数千瓦，如果要用燃料电池技术建造一座发电厂，就需要很多燃料电池堆，加上组装、维护和管理，成本很高。提高单个平板式燃料电池堆的功率可减少这种新型发电厂的建设和维护成本。

（4）用喷气发动机燃料开发能在室温下发电的燃料电池。2014年12月，美国犹他大学材料科学与工程学院，雪莉·敏蒂尔教授领导的一个研究小组，在美国化学学会期刊《ACS催化》网络版上发表论文称，他们研制出首块可在室温下工作的燃料电池，不用点燃燃料，它用酶就能使得喷气发动机燃料产生电能。这种新型燃料电池，可以给手持电子设备、离网型电动机和传感器供电。

燃料电池主要通过氧或者其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转化成电能；只要能持续添加燃料，那么燃料电池就可以持续提供清洁而廉价的电能。蓄电池已经被广泛应用于电动车和发电装置；如今，燃料电池同样也用于一些建筑物的供电，另外，它还能为氢动力车这样的燃料电池车提供动力。

2.研制具有不同用途的固体氧化物燃料电池

（1）发明为未来车辆提供动力的低温固体氧化物燃料电池。2005年10月16—21日，美国斯坦福大学机械工程系负责人弗里茨·普林茨教授领导，材料科学和工程学副教授保罗·麦金泰尔、化学工程教授斯泰西·本特，以及普林茨学生参与的研究小组，在洛杉矶召开的电化学学会会议上，提供了四份关于新型燃料电池技术的研究报告。他们指出，这一创新技术将大大降低燃料电池的工作温度，因此有望为未来车辆提供所需的动力。

在接下来的一个月时间内，该研究小组将会出版一本燃料电池的教科书，让学生能够及时了解燃料电池这一新兴技术的相关知识。

普林茨指出，从经济角度来说，目前燃料电池还不具备生产性，而且也无法与传统的燃烧引擎竞争。但是，人们可以通过很多方面来改进燃料电池的性能和经济价值。

现在，燃料电池包括普林茨小组正在研究的固体氧化物燃料电池在内，已经成为一个热门技术。因为燃料电池在为建筑物、汽车和电子设备提供充足电能的同时，不会对环境造成任何污染。

固体氧化物燃料电池，通过两个化学反应，在电路周围移动负电荷从而产生电流。电池的一面从空气中摄取氧，然后使氧与电子相结合，形成负氧离子。随后这些负氧离子被不断传送，经过燃料电池中间的固态电解质层到达电池的另一面，接着负氧离子与氢气燃料结合形成水。在这一反应过程中释放出的电子穿过整个燃料电池回到原先那一面，这样就完成了一个完整的电路。在整个过程中，燃料电池吸取了氢和氧，产生水和电。燃料电池与普通电池不同的地方就是它不会流失电荷，只要有氢燃料和氧存在，燃料电池就能始终保持工作状态。

与其他种类的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池特别适合家用和汽车使用，因为它能以相对较高的功率传输全部电能。但是，固体氧化物燃料电池的工作温度超过700℃，这是其实际使用中最大的一个缺陷。需要如此高温的原因之一，是因为电池中的电解质层，如果不产生大量热量的话，就无法顺利传送负氧离子。该研究小组目前在做的就是改变这一点。

固体氧化物燃料电池内的电解质是一层稳定性氧化钇锆膜，该研究小组通过减小膜的厚度至50纳米，已经改善了离子通过电解质层的传导性。要使膜达到如此薄的厚度而且还要经久耐用是一个不小的挑战。因为燃料电池中注入的都是气体（氢和氧），所以大部分电解质层都不得不与气体接触。同时，这么薄的膜还必须足够牢固来承担一定的压力，比如燃料电池两侧气压差产生的力。为了让气体能够充分渗入，电解质层两侧的铂催化剂排列松散，因此只能提供极小的支撑力。