2金屬鋰雖好卻是“帶刺的玫瑰”

鋰電池的負極材料，同樣是關鍵。它對于電池的首次循環效率、循環壽命、倍率性能和安全性能有著直接影響。第一代鋰離子電池負極材料直接采用金屬鋰，但在充放電過程中容易產生枝晶。金屬鋰在長時間充放電后，表面就會長出枝晶。這就像光滑的平面突然長出千萬根刺，易而易深圳貿易有限公司，可想而知這朵“帶刺的玫瑰”最終可能會戳穿電池，造成短路，甚至引發爆炸。

盡管石墨類碳材料和鈦酸鋰在商業化方面比較成熟，但是這兩類材料都有一個固有缺陷就是理論比容量都較低，這使得當前鋰離子電池的能量密度還不能滿足動力電池的更高要求。

因此，未來鋰離子電池負極材料的發展可能會呈現“兩條腿走路”的態勢，一條是回歸初心，重新選用金屬鋰作為負極材料，研究的重心集中于如何克服金屬鋰在長時間充放電過程中的枝晶問題；另一條路是針對目前對于高能量密度的緊迫需求，改善現有電池體系，有針對性地替換電極材料，并尋找可真正產業化、有應用前景的負極材料。

3用銅房子隔絕金屬鋰的“刺”

深圳共有11家比亞迪 1.龍南比亞迪，在龍華清湖路口那里 2.恒泰昌比亞迪，在龍華汽車站對面 3.盛世開元比亞迪，在坂田 4.湛寶比亞迪，在龍崗信義汽車城，地鐵荷坳站 5.澤然浩比亞迪，在南聯地鐵站附近 6.盛世開元比亞迪，福。

經過大量的對比，我們團隊最終鎖定金屬鋰作為負極材料的研究重點，因為我們發現金屬鋰理論容量是目前商業化鋰電池負極材料的10倍以上，而且它的導電性很好，是最為理想的負極材料之一。如果能妥善解決枝晶問題，那就離生產容量大，能快速充電的鋰電池又近了一步。

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可是問題又來了，直接構建這座房子不僅耗時耗力，而且成本很高，無法規模化生產。因此，這個研究仍止步于實驗室，極大地限制了金屬鋰的商業化進程。因此如何能低成本、高效可重復性地制作出三維銅，是頗具挑戰的研究課題。

我們嘗試了多種方法，如水熱法、氣相沉積法等，但結果都不盡如人意。正當我們百思不得其解時，一個常見又有趣的現象引起了我們的關注。

在哈佛留學時，由于當地的波士頓龍蝦非常有名，因此我經常買。蒸熟的龍蝦呈現紅色，但它的紅色并非天生，而是由于高溫使青黑色的龍蝦變成了紅色。正是這個再常見不過的現象讓我突然想到：如果龍蝦的紅色不是天生而是后來轉變的，那我們為什么要執著于直接制備紅色的三維銅？如果我們可以讓一種便宜的三維結構轉化成銅呢？我們立即調整了研究方向：轉化！與其從無到有直接搭建銅房子，不如先搭建一座便宜的布房子再粉刷上一層銅，使其變成紅色的銅房子。點石成金無法實現，但點布成銅卻具備可行性。

4輕而薄的紙也可用來制作鋰電池

在尋找的過程中，又一個有趣的小生物——貽貝進入了我們的視線。這種貝殼可分泌出一種黏性蛋白，這些黏性蛋白如同黏結劑一般使貽貝可以牢牢吸附在船底。對于船只而言，貽貝并不受歡迎，如果原本光滑的船底長滿了貽貝則會使阻力大大增加，增加燃油消耗甚至對船底鋼板也有腐蝕作用。

但這個讓漁夫們無比頭疼的小家伙，卻給我們很大的啟發，能不能模仿貽貝，來給金屬鋰建造一個表面牢牢吸附銅的“房子”呢？

自然界中貽貝分泌的黏性蛋白可牢牢吸附在幾乎任何材料的表面。而貽貝黏蛋白的核心成分與多巴胺類似，因此可以使用多巴胺溶液來代替。將廉價易得的玻璃纖維布等，浸泡在多巴胺的溶液中，多巴胺能不能牢牢吸附在材料表面呢？

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經過試驗，白色的布房子果然變成了吸附多巴胺的黑色房子。再加入還原劑和銅離子溶液，反應24小時后，黑色的多巴胺房子真的變成了紅色的銅房子。

材料表面最終變為紅棕色，可直觀證實銅單質的沉積成功。整個過程簡單、高效、對環境無污染。

不僅如此，將玻璃纖維布換成其他更常見的材料，通過簡單的浸泡，玻璃纖維、泡沫鎳、聚碳酸酯濾膜、宣紙等常規無機及有機多孔材料都成功完成了三維儲鋰銅骨架的構建，也得到了令人滿意的結果。這證實了方法的高效性，也極大拓寬了材料的可選擇性。這意味著，這種轉化方法不需要特別的化學試劑和儀器設備，就可將多種材料(無機、有機聚合物等)轉換為三維儲鋰骨架。

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制備好的新型電池進行電化學測試，循環600小時后庫倫效率依然保持在94%，長周期循環性能顯著提高。這種簡單卻具有普適性的方法可以將常見多孔材料轉化成高效的儲鋰骨架，為構建三維集流體提供新的解決思路，大幅度降低電池成本。同時，三維儲鋰結構可有效調控鋰離子沉積行為，從根本上調節鋰金屬成核和生長過程，有效抑制枝晶形成，推動鋰金屬負極二次電池的商業化。

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基于此，我們在鋰離子電池的能量密度、安全性和充放電速率方面取得了重大突破，并大幅度降低了電池生產成本，為新一代動力電池的設計和研發提供了合理可行的新思路。相關研究工作已經成功申請國際專利并在國際知名期刊發表多篇高水平論文。

可以想象，在不遠的未來，我們有希望將手中輕而薄的紙，進行適當改性，也可用于制作大容量低成本的電池。

5期望鋰電池未來助力美好生活

在電動汽車領域，鋰電池當前仍然是市場占比最高的首選能源，其清潔、零排放的優點在“雙碳”政策下會進一步放大。隨著技術的進步，目前鋰離子電池電動汽車在里程、續航和安全性方面都有了較大的提高；電子產品領域是鋰離子電池的傳統優勢領域，手機、數碼相機、筆記本電腦的電池全都離不開鋰離子電池。

半個世紀的鋰電池發展史波瀾壯闊。時至今日，研究人員仍然在為研發更好的電池不斷探索，期望鋰電池未來能更好地為人類的美好生活助力。

《光明日報》（ 2022年07月21日16版）

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