为突破现有锂电技术瓶颈，中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员及其团队成功研发出了一种具有普适性的新型高效、低成本铝基锂离子电池，有望打破现有锂电产业格局。这项相关研究成果“A Novel and Generalized Lithium-Ion Battery ConfigurationUtilizing Al Foil as Both Anode and Current Collector for Enhanced Energy Density（一种新型普适的基于铝箔负极/集流体的高能量密度锂离子电池）”已经在线发表于材料顶级期刊《Advanced Materials》上（DOI: 10.1002/adma.201604219），并申请1项国际发明专利（PCT/CN2016/081346）。
众所周知，新能源汽车和新能源产业是我国《“十三五”战略新兴产业发展规划》中的支柱性产业，它的飞速发展则要求作为动力来源或能量储存的储能器件不断提升综合性能，有效降低制造成本。锂离子电池，作为一种常用二次电池，具有循环寿命长、无记忆效应等优点，已经成为便携式电子设备、电动汽车、清洁能源等领域的主要能量转换和存储设备。先来看看传统锂离子电池。自1991年由索尼公司商业化以来，已有26年的发展历程。它主要由正极活性材料、负极活性材料、电解液、隔膜、集流体等主要部分组成。工作原理是依靠锂离子在正极与负极之间来回移动（嵌入和脱嵌）来实现电池的充放电过程（“摇椅式电池”）。充电时，锂离子从正极材料（金属含锂化合物，如钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂等）中脱出，经过电解液嵌入负极材料（石墨、钛酸锂等材料），负极处于富锂状态；放电时则相反。然而，由于受到正负极材料理论比容量较低的限制，目前商用锂离子电池存在能量密度较低、生产成本较高、资金投入大等问题，越来越难满足电子智能终端产品、电动汽车、储能电站等领域对高能量密度、低成本储能器件的要求制约了储能产业的快速发展。
这种新型铝基锂离子电池有效地解决了传统锂离子电池的缺点。它的构造直接采用铝箔同时作为电池负极和集流体，替代了传统锂离子电池的石墨负极和铜箔负极集流体；正极材料仍采用现有技术中的钴酸锂、磷酸铁锂、三元材料等；电解液为含有锂盐和添加剂的碳酸酯类溶剂。这样的新型电池具有全新的工作机理：充电时，锂离子从正极材料中脱嵌出来，运动到铝箔负极表面，并与铝形成铝锂合金；放电时，锂离子从铝锂合金中脱出，又嵌入到正极材料中。由于金属铝具有优异的导电性，并且具有高的嵌锂比容量（AlLi合金的理论比容量993mAh/g），以及适中的嵌锂电压平台（~ 0.3 V），因此铝作为负极具有明显的优势。此外，在该新型电池体系中，铝箔同时作为负极活性材料和负极集流体，不仅可以大幅降低电池自重和体积，显著提高质量和体积能量密度，而且大幅降低了物料成本，并缩短了制造流程，从而大幅降低了生产制造成本，具有广泛的市场应用价值。
图（a）基于石墨负极和钴酸锂正极的传统锂离子电池充放电机理示意图；（b）基于铝箔负极和钴酸锂正极的新型锂离子电池充放电机理示意图
初步的研究结果表明，基于铝箔负极的新型电池体系具有较高的比容量，较好的循环稳定性，以及较高的能量密度，并且采用不同的正极材料，均表现出良好的电化学性能，显示出良好的普适性：采用钴酸锂为正极、铝箔为负极的全电池（LCO-Al）能量密度可达到263Wh/kg，充放电循环250次后电池容量保持在81%；以磷酸铁锂为正极、铝箔为负极的全电池（LFP-Al）能量密度达到163Wh/kg，充放电循环500次后电池容量保持在84%；以镍钴锰酸锂三元材料为正极、铝箔为负极的全电池（NCM-Al）能量密度达到258Wh/kg，充放电循环250次后电池容量保持86%。
值得一提的是，前期研究所采用的正极材料并非最佳，如果后续优选更好的正极材料，电池的电化学性能有望获得进一步提升。同时，随着该电池技术的优化，电池的循环稳定性等也将再进一步提高。
不仅如此，该新型锂电技术可相应的调整正极材料，从而使该技术运用到所有传统锂离子电池能运用的领域：在便携式电子产品领域，可以运用到电脑、平板电脑、移动电话、数码相机、随身听、电子辞典、影音播放之硬件设备或数字音频播放器等产品；在电动交通工具中，一些小型的诸如电动自行车、电动摩托、电动助力车、电动汽车等代步动力型产品，以及一些大型的诸如电动及混合动力大巴、电动轿车、小客车、商务车、面包车、吉普车、跑车等也都是它大显身手的领域；甚至在大型动力电源中，舰船动力、航空航天动力、装甲动力以及储能电站等方面的运用前景也十分广阔；它同样可以应用于二次充电及储能领域，如电动玩具、无人机、风能及太阳能储能电源、电动工具等产品。
这项研究成果在上述诸多领域都具有如此巨大和广泛的产业化应用前景，伴随着该技术的完全成熟，它必将会改变现有锂离子电池产业的格局。
唐永炳：博士、研究员，中科院深圳先进技术研究院功能薄膜材料研究中心主任。主要研究领域：基于非贵金属负极的新型锂离子电池及关键材料，基于非贵金属负极、石墨正极的碱金属离子二次电池等。主持和参与10多项国家自然基金、广东省创新团队项目、香港科技创新署和中科院的相关科研项目。在材料领域著名国际期刊发表SCI论文近80篇，他引1900余次，申请和授权发明专利75项。获奖及荣誉： 中科院院长奖, “刘永龄”奖, “师昌绪”奖,“葛庭燧”奖, 深圳市B类孔雀人才计划等。
（编辑：小智）
