科技大观：快速充电 锂电池的新突

　　锂电池是大家非常熟悉的电子产品，目前广泛应用于手机、笔记本电脑及电动汽车等产品。不过，锂电池的声誉也为充电时间长、使用寿命短等顽疾所困。近日，新加坡南洋理工大学研究小组发明了一种新型快速充电电池，能在2分钟内充电70%，且使用寿命长达20年，是当前电池使用寿命的10倍。

　　锂电池主要由正极材料（如锂钴氧）、电解液和负极材料（如石墨）组成。每当充电时，锂离子从正极材料锂钴氧晶格中脱出，经过电解液后嵌入到层状石墨中；放电时，锂离子又从层状石墨的晶格中脱出，经过电解质后嵌入到锂钴氧中。在电池充放电的过程中，锂离子在正极和负极之间来回转移，所以锂电池也被形象地称为“摇椅电池”。近年来，科学家们对新型锂电池、尤其是高容量的锂硫、锂氧电池以及纳米硅电池的研发呈井喷态势，但由于合成工艺复杂、成本高、循环寿命短等原因，很多成果没能得到普及。

　　传统锂离子电池无法进行快速充电，主要受限于石墨电极的安全性能，并且电池工作时会在电极表面形成一层固体电解质膜，阻挡了锂离子的“脚步”，进而减慢了锂离子的运输速度。最新发明的新型锂电池的创新点在于，它使用超长的二氧化钛纳米管凝胶而非传统的石墨材料作为电池负极。这种新型材料不会形成电解质膜，锂离子可以飞速嵌入，进而达到快速充电效果。同时，得益于一维二氧化钛纳米凝胶的特殊结构，新型电池实现了寿命的突破，循环次数可达上万次。假设一天充电一次，可使用20多年。而且，此项研究所使用的二氧化钛（俗称钛白粉）原料成本低且易于加工，电池重复性好，可靠性也高，而且能与现有工艺无缝衔接，其工业化应用前景十分光明。

　　锂电池出现于上世纪70年代，1991年，索尼公司发布了首个商用锂电池，自此革新了消费电子产品的面貌。尽管锂电池应用越来越广，但其续航能力和使用寿命一直未得到有效突破，也制约了电动汽车等行业的快速发展。这项新的技术突破会给很多领域带来广泛影响，在移动设备领域，新型电池可以避免一些电子设备的“被迫淘汰”；电动汽车领域也将极大受益，不仅充电时间可由原来的几小时缩短为几分钟，用户也无需频繁更换价格昂贵的电池组（成本约1万美元），这为电动汽车的进一步普及带来了利好。

　　不过，当前锂电池的发展面临的一个瓶颈是：若想提高容量，势必要牺牲充电速度和循环寿命，而提升充电速度又难以维持较高的容量。未来电池的更新换代，一方面需要提高安全性能，比如对固态半固态电解液的研究，另一方面，需加快大容量正极材料的研发，实现锂电池在能量密度上的突破。总之，电池的正负极以及电解液材料需要协同并进发展，这样才能够在形态、容量等方面有更大的进步（作者为新加坡南洋理工大学教授）