每周科技串“奖”｜活泼金属电池梦的开始

电能，支撑着我们每天的生活：我们用电池来储存能量，驱动手机、交通工具，而电能的时空不均衡特性，使得电网系统也需要使用电池来储存和释放能量，把富余的电能储存起来，再在用电需求高峰释放给用户。于是，无论是个人用户，还是工业生产，都对更高能量密度、更可靠、更价格低廉的储能电池提出了需求。我们今天要介绍的2011年国家自然科学奖二等奖“几类无机材料的氢、锂、镁储存与电池性能研究”，其重要成果之一就是围绕锂电池、镁电池开展的系列研究。

高能与安全 活泼金属电池的双刃剑

从能量角度而言，越活泼的金属能够释放出的能量越多，制造成电池所储存的能量也就越多。就锂离子电池而言，锂活动顺序大致在钠与镁之间，重量又轻，可成为理想的储能电池原料，因此，锂电池在我们的日常生活中十分常见。但事实上，锂离子电池从发明到商用的过程并非一帆风顺，原因是性质活泼的金属虽然能够储存并释放更多的能量，但其活泼的另一面则是稳定性差，这就给应用带来相应的困扰。

约束活泼离子 达到可稳定充电

解决这一问题的关键在于杜绝让活泼金属直接发生反应，而是通过活泼金属离子的转移来储存或释放能量。以锂离子电池为例，如果直接用锂这种活泼金属来储存能量，它们会在释放出足够的能量的同时，降低电池本身的安全性，而且充电的过程很难实现。现有的锂离子电池技术，采用电池的正极和负极材料进行充放电循环。正极放电时，锂离子充分释放能量。负极充电时锂离子积蓄能量。锂被约束在正负极之间，既可以稳定地储存并释放能量，又不容易出现事故。

由于锂离子在充放电过程中并未直接被氧化或者还原，因此这类基于离子迁移构建的电池也被称为“摇椅电池”。

发展活泼离子载体 创造未来电池

如前所述，现代储能电池的关键在于正极、负极的活泼金属离子的载体。而寻找更加安全、高性能的金属离子载体，成为科学家们重要的研究内容。南开大学陈军院士团队主持完成的“几类无机材料的氢、锂、镁储存与电池性能研究”项目便围绕两条截然不同却又殊途同归的研究路径开展了系列研究工作：一方面是开发更轻、更高性能的锂离子载体材料，另一方面则是开发新型镁离子载体材料。

对锂离子电池而言，载体虽好，但本身并不储存能量，而是仅仅作为锂离子的储存场所来使用，因此减轻载体重量意味着电池能量密度的提升。此外，构建新的锂离子载体，可以提高电池的电压，进一步增加电池能量密度。陈军院士团队开发了一系列的新型锂离子载体材料，有效提升了电池能量密度和安全性。

近年来，陈军院士团队开发了一系列镁、钠等活泼金属离子电池，部分成果已经得到转化应用，有望进一步推动电化学储能领域的发展。

（文：重庆大学化学化工学院教授 李存璞 把关专家：南开大学化学学院教授 阳科）

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