電池技術(shù)在社會(huì)的可持續(xù)的清潔能源發(fā)展中起著重要的作用。相比于傳統(tǒng)的鎳氫電池，鉛酸電池來(lái)說(shuō)，鋰離子電池具有能量密度高，無(wú)記憶效應(yīng)，環(huán)境污染小等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化的領(lǐng)域中。如今鋰離子電池已經(jīng)作為動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車如特斯拉，比亞迪中使用，具有極大的市場(chǎng)份額，預(yù)計(jì)2020年全球鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到4500億元。

鋰離子電池最早由日本索尼公司于1990年開(kāi)發(fā)成功。傳統(tǒng)鋰離子電池的正極材料為鈷酸鋰(LiCoO2)，負(fù)極材料為石墨(C)，以酯類作為電解液的可充電式電池。該電池的電極反應(yīng)式如下：

正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。

充電時(shí)：LiCoO₂ → Li_1-xCoO2+ xLi ⁺+ xe^-

放電時(shí)：Li_1-xCoO₂ + xLi ⁺+ xe^- → LiCoO²

負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫嵌，充電時(shí)鋰離子嵌入。

充電時(shí)：xLi ⁺+ xe^- + C₆ → Li_xC₆

放電時(shí)：Li_xC₆→ xLi ⁺+ xe^- + C6

然而，鈷酸鋰材料的實(shí)際比容量只有150 mAh/g左右，較低的容量限制了單體鋰離子電池的能量密度的提升，只有150 Wh/kg 左右。使用較低能量密度的鋰離子電池作為汽車的動(dòng)力電池時(shí)使得電動(dòng)汽車無(wú)法具有預(yù)期的行駛里程數(shù)。比如特斯拉的最新電動(dòng)汽車Model X，其電池組就是由7000多節(jié)18650鋰離子電池組成，重量達(dá)一噸左右。沉重的電池組增大了汽車的自重，降低了汽車的行駛里程數(shù)，一次全充電后的行駛里程在400公里左右。因此，開(kāi)發(fā)高能量密度的鋰離子電池顯得尤為重要。

目前，高能量密度鋰離子電池的研究已經(jīng)從起步階段轉(zhuǎn)向?qū)嵸|(zhì)性發(fā)展。研究的領(lǐng)域主要集中在電池的正極材料，負(fù)極材料上。在正極方面主要研究富鋰正極材料，高鎳正極材料和硫正極材料。在負(fù)極方面研究主要集中在錫負(fù)極，硅負(fù)極和鋰金屬負(fù)極上。目前也有不少團(tuán)隊(duì)致力于固態(tài)電解質(zhì)的研究，主要是為了解決液態(tài)的電解液易燃問(wèn)題所帶來(lái)的安全隱患。此外在鋰金屬負(fù)極的研究中，引入并使用固態(tài)電解質(zhì)可以抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。本文結(jié)合部分世界頂尖鋰電池研究團(tuán)隊(duì)做簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)該行業(yè)的熱點(diǎn)研究方向進(jìn)行闡述。

Goodenough教授于1952年在芝加哥大學(xué)取得博士學(xué)位。目前為美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校機(jī)械工程系教授。Goodenough教授是著名的固體物理學(xué)家，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，工程院院士，英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)外籍院士。他也是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰等鋰離子電池正極材料的發(fā)明人，也是鋰離子電池科學(xué)基礎(chǔ)的奠基人之一，被業(yè)界稱為“鋰電之父”。Goodenough教授已發(fā)表期刊論文700逾篇，發(fā)表論文累計(jì)引用46500余次。

近年來(lái)，Goodenough教授繼續(xù)在所深愛(ài)的鋰離子電池，鈉離子電池領(lǐng)域展開(kāi)深入的研究。同時(shí)也將自己的研究領(lǐng)域拓展到鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)研究中。近日Goodenough教授又在Journal of American Chemistry Society 上發(fā)表了固態(tài)電解質(zhì)的研究論文（10.1021/jacs.8b03106）。Goodenough教授認(rèn)為石榴石型的固態(tài)電解質(zhì)在室溫下具有很高的電導(dǎo)率，是適合鋰金屬電池使用的固態(tài)電解質(zhì)的理想材料。該項(xiàng)研究利用了一種新策略改善石榴石LLTO（Li₇La₃Zr₂O₁₂）的界面，從而顯著降低了鋰金屬與石榴石界面的阻抗，抑制了枝晶的形成。因此降低了組裝的Li/Garnet/LiFePO4 和Li-S全固態(tài)電池的過(guò)電勢(shì)，提高了庫(kù)倫效率以及循環(huán)穩(wěn)定性，具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)使用固態(tài)電解質(zhì)，鋰金屬電池和鋰硫電池的枝晶問(wèn)題將得到解決，使用高比容量的鋰金屬作為負(fù)極將會(huì)在未來(lái)有長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用。

Bruce教授是英國(guó)牛津大材料系教授，皇家科學(xué)院院士，工程院院士，英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)外籍院士，已發(fā)表期刊論文400逾篇，發(fā)表論文累計(jì)引用55100余次，H因子為97。

Bruce教授團(tuán)隊(duì)的研究方向主要集中在鋰空氣電池，鋰離子電池，鈉離子電池等方向。在鋰離子電池正極材料方面，Bruce教授的研究領(lǐng)域主要涉及LINi_xMn_1-xO₂， xLi₂MnO_3•(1-x)LiMO₂ 以及Li₂FeSiO₄ 等高容量的正極材料的研發(fā)以及其反應(yīng)機(jī)理的研究。

近日，Bruce教授在鈉離子電池的正極材料研究中又取得巨大的突破并發(fā)表在Nature子刊上。(Nature Chem., 2018, 10, 288–295) 文章報(bào)道了一種P2型的Na_2/3[Mg_0.28Mn_0.72]O₂ 層狀鈉離子電池正極材料，具有近170 mAh/g 的高比容量和近2.75V的放電電壓。而這高的容量來(lái)自于該材料的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以及氧元素的氧化還原。在鈉離子脫出時(shí)，低含量的鈉促進(jìn)了O₂結(jié)構(gòu)的氧化層的形成。此外氧在充放電過(guò)程中存在氧化還原反應(yīng)又額外貢獻(xiàn)了容量。同時(shí)Mg²⁺的引入又抑制了氧的損失。這項(xiàng)工作對(duì)鋰電和鈉電正極材料中氧的氧化還原所提供額外容量的現(xiàn)象又提供了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，此外也提供了從結(jié)構(gòu)和組分上來(lái)設(shè)計(jì)材料，通過(guò)抑制氧的流失來(lái)實(shí)現(xiàn)高容量的正極材料的新路徑。

Clare P. Grey 于1991年在牛津大學(xué)獲得博士學(xué)位。目前是劍橋大學(xué)化學(xué)系教授，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)院士，紐約州立大學(xué)石溪分校兼職教授。Clare P. Grey 已在國(guó)際一流刊物上發(fā)表期刊論文300逾篇，發(fā)表論文累計(jì)引用23600余次，H因子為78。目前Grey教授是 Journal of American Chemical Society， Joule, Accounts of Chemical Research 等國(guó)際著名期刊的編委。

Grey教授團(tuán)隊(duì)的主要研究工作集中在以下幾個(gè)方向：鋰離子電池技術(shù)，鈉離子電池技術(shù)，新型鋰空氣電池，鎂離子電池和固態(tài)電解質(zhì)等前瞻科研領(lǐng)域。近年來(lái)，Grey教授在鋰離子電池正極材料方面結(jié)合自身以及先進(jìn)的表征技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在材料的表征及模擬方面開(kāi)展了諸多研究。