鋰離子技術(shù)已經(jīng)改變了我們的通訊方式和便攜式設(shè)備的供電方式，現(xiàn)在正推動著全球交通和能源供應(yīng)的革命。德克薩斯大學奧斯丁分校的ArumugamManthiram發(fā)表的一篇新論文考察了這項技術(shù)的發(fā)展，從20世紀70年代的初步發(fā)現(xiàn)到今天研究“未來電池”的研究人員的考慮。

自從1976年科學家展示了第一款可充電鋰離子電池以來，這項技術(shù)已經(jīng)證明了它在電子工業(yè)中改變世界的潛力。但即使在電動汽車中的應(yīng)用和固定儲能記錄大量增長，克服的技術(shù)問題和世界各地的科學家們正在努力將新材料和推動電池的性能仍然基于概念說明了科學家?guī)缀醢雮€世紀前。

而回顧這些發(fā)展，對于了解未來的研究方向是很有價值的。ArumugamManthiram在德克薩斯大學奧斯汀分校擔任教授已有20年，他也曾與諾貝爾獎得主、科學家約翰·古德諾JohnGoodenough一起研究鋰離子技術(shù)。Manthiram在《自然通訊》上發(fā)表的一篇評論文章中，深入研究了鋰離子技術(shù)的歷史，并探討了影響當前新電池概念研究的問題。

Manthiram說：“隨著我們大規(guī)模部署鋰離子電池，成本和可持續(xù)性變得至關(guān)重要。此外，為了跟上便攜式電子設(shè)備的發(fā)展，并提高電動汽車的行駛范圍，人們希望將能量密度提高到現(xiàn)有水平之上。”

20世紀70年代，埃克森美孚公司的M．StanleyWhittingham首次演示了鋰金屬陽極和硫化鈦陰極的可充電電池，這為插入化學理解的最新進展提供了概念證明。這種電池由于低電壓和能量密度，以及鋰金屬陽極上的枝晶生長而受阻——這是一個科學家們至今仍在努力解決的問題。

下一個Manthiram關(guān)注的是JohnGoodenough團隊在20世紀80年代的工作，該團隊獲得了2019年諾貝爾化學獎。這涉及到氧化物陰極的設(shè)計，它允許在電池中增加電壓。Goodenough的小組還將氧化陰極分為三類（層狀、尖晶石和聚陰離子），至今仍是唯一實用的陰極類型，并作為未來發(fā)展的基礎(chǔ)。

最后，Goodenough的小組在20世紀80年代的進一步工作，由來訪研究員KoichiMizushima領(lǐng)導，首次展示了一種具有碳陽極和鋰鈷氧化物陰極的鋰電池。它代表了該技術(shù)第一次克服了安全和能量密度問題，并作為一種準備商業(yè)化的東西出現(xiàn)。

但隨著社會對電池的需求不斷增加，這些擔憂仍然是鋰離子技術(shù)研究的核心。

Manthiram表示：“我們需要通過增加陰極和陽極的電荷存儲容量，增加陰極的工作電壓來增加能量密度，或者理想情況下同時增加電荷存儲容量和工作電壓。為了實現(xiàn)這些目標，需要開發(fā)新的或更好的電極材料和電解質(zhì)。新的合成和處理方法以及計算機建模可以幫助這些任務(wù)。”

Manthiram指出，在短期內(nèi)，他預(yù)計研究重點將放在含鎳較多、鈷較少或不含的層狀氧化物陰極上，并在石墨陽極中添加硅以增加能量密度。

在未來，會有大量的技術(shù)最終證明它們的價值。Manthiram說：“鋰離子電池將保持其在能源存儲方面的領(lǐng)先地位，特別是在運輸部門的電氣化方面。”

據(jù)微鋰電小組分析，在未來鋰硫電池可以在降低成本的同時進一步提高能量密度。鈉離子電池可以增強可持續(xù)性。最終，全固態(tài)電池可以進一步提高能量密度，提高安全性。