2019年諾貝爾化學(xué)獎頒給了美國德州大學(xué)奧斯汀分校約翰·古迪納夫、美國紐約州立大學(xué)賓漢姆分校斯坦利·威廷漢和日本旭化成株式會社吉野彰三人，以表彰他們對鋰離子電池研發(fā)的卓越貢獻。

中美日韓德英等國都制定了各自的電池發(fā)展戰(zhàn)略,以期推動電池原理的創(chuàng)新以及核心技術(shù)的開發(fā),支撐當(dāng)代社會的可持續(xù)發(fā)展。我國鋰電研究者們在國家和社會的支持下,圍繞高效能量存儲這個不變的“初心”,持續(xù)開展科學(xué)研究。

目前鋰電池領(lǐng)域主流研究方向仍聚焦在尋找更安全高效的負極材料。由筆者帶領(lǐng)的清華大學(xué)研究團隊從2013年開始,在金屬鋰負極形核和無枝晶生長領(lǐng)域開展了原創(chuàng)性的科學(xué)研究。

研究發(fā)現(xiàn),在金屬鋰負極中添加具有親鋰性的摻氮碳骨架,讓電池中游離的鋰離子在充電初始,就像小蝌蚪找媽媽一樣,優(yōu)先奔向青蛙媽媽——摻氮位點,在電池中形成均勻分布的金屬鋰“小團體”;在充電過程中,“小蝌蚪和青蛙媽媽”的“小團體”繼續(xù)“抱團”。這種均勻沉積的行為可以避開以往形核少而產(chǎn)生的金屬鋰枝晶生長。

基于上述成果的論文2017年被化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》選為封面,今年還入選了由北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會主辦的“北京地區(qū)廣受關(guān)注學(xué)術(shù)論文”評選活動。研究團隊在上述能源化學(xué)機理的基礎(chǔ)上,進一步設(shè)計了碳鋰復(fù)合負極。這些復(fù)合金屬鋰負極不僅避開了“危險的枝晶”,還表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能,有效提升了金屬鋰負極的利用效率和安全性,也為基于金屬鋰的二次電池提供了新的實用化探索思路和更廣闊的應(yīng)用前景。

除了鋰電池之外,采用鈉、鉀、鋁、鋅等離子并研發(fā)其能源化學(xué)新原理,也有望提出具有獨特性質(zhì)的新型儲能器件。除電化學(xué)儲能之外,采用其他能源存儲和轉(zhuǎn)化方式以及新型能源載體,有望構(gòu)筑具有顛覆性的儲能技術(shù),滿足未來社會對于儲能設(shè)備的新需求。

下一代解決能源存儲與轉(zhuǎn)化技術(shù)的突破,已經(jīng)在路上。