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Goodenough：新策略让全固态电池“good enough”
锂离子电池的研究可以追溯到上世纪70年代，而到了90年代就已经进入产业化阶段，短短的20年，锂电池走入到我们生活中的各个角落。说到锂电池就要提到德州大学奥斯汀分校（UT Austin）的John B. Goodenough教授，这位老爷子出生于1922年7月，他是锂离子电池的奠基人之一，被称为“锂电之父”。1980年他和SONY公司合作开发了钴酸锂正极材料。1983年又投入到尖晶石型锰酸锂正极的研究，该材料具有价格低、电位高、安全性能良好等优点。1997年Goodenough和日本科学家接连报道了橄榄石型LiFePO4的锂离子脱嵌特性，与钴酸锂相比来源更广泛、价格更低廉且无环境污染。这些材料都已是如今商业化锂电池最常见的正极材料了。
2012年，UT Austin同事们为90岁的Goodenough开趴庆祝。图片来源：UT Austin
2013年，Goodenough获时任美国总统奥巴马颁发的“National Medal of Science”。图片来源：CBS NEWS
与过往的辉煌成就相比，老爷子在耄耋之年依然坚持科研工作不辍更让人心生敬佩。近日，近95岁高龄的Goodenough与Maria. H. Braga等人合作，在Energy & Environmental Science 杂志上发表文章，提出了一种让可充电电池更安全、容量更大的新策略。他们采用Li+或Na+玻璃电解质（25 ℃下锂离子或钠离子的电导率大于10-2 S/cm），以碱金属正极氧化还原中心代替嵌入型主体化合物正极，得到了无枝晶、无固体/电解质中间相（solid/electrolyte interphase，SEI）的全固态电池。该电池放电电压可达3 V以上，能量密度是今天锂离子电池的至少三倍，更安全，循环寿命更长，在低温下也能工作。
固态锂离子电池抛弃了传统锂电池的液态电解液，而采用固体材料代替。全固态锂离子电池又有什么优势呢？笔者以为最重要的三个：比能量高、安全、适合未来柔性器件的发展。目前市场上的锂离子电池，电池体系的比能量一般在100-220 Wh/kg，而小规模批量生产的全固态锂离子电池已经可以达到300-400 Wh/kg了。同时，全固态锂电池可以避免大电流下锂枝晶的形成，有效防止电池短路、爆炸燃烧等安全隐患，提高了充放电倍率，拓展了锂电池的工作温度区间。解决了安全问题，电池才能反复弯曲，方可实现柔性化。比如，某半岛国研究者2012年在Nano Letters发表的文章，制备了漂亮的全固态柔性电池[1]。
柔性全固态锂离子电池。图片来源：Nano Lett.
再来看Goodenough老爷子这篇文章。其实，文中提到的玻璃电解质是Maria. H. Braga博士（本文一作和共同通讯作者）之前已经发表过的工作，并不算是什么新鲜的材料了[2,3]。那么，文章标题中提到的“alternative strategy”到底是什么？又“新”在哪里呢？我们从这张示意图聊起。
全固态Li-S电池放电过程示意图。图片来源：Energy Environ. Sci.
全固态电池中，电池正极费米能级较低（0.40 eV），负极（图中是金属锂）费米能级较高（3.05 eV），在放电过程中，锂离子或钠离子（图中是锂离子）移向电池的正极，得电子发生还原反应，并在正极集流体上形成锂镀层。由于用到的玻璃电解质费米能级非常高，可以有效的阻隔电子的移动，因此电解质不但起到了传导离子的作用，还和正负极之间形成了双电层电容（图中的CA、CC）。这是该方法安全、容量高、循环寿命长的关键原因。
以碱金属（锂或钠）为负极，这在其他常规锂离子电池或中钠离子电池是不可能的。而且，如果使用原材料储量更丰富的钠作为电池生产原料，将进一步降低成本。另外，因为玻璃电解质在零下20摄氏度下还能保持较高的电导率，因此这种全固态电池在零度以下的环境中仍然可以正常运行（冬天冻的自动关闭的手机终于有救了）。
因为具有低成本、安全、高容量、长寿命等优点，全固态电池在便携式电子器件、医疗器件、玩具、电动车辆等领域都有巨大的市场，还有望运用于风能、太阳能的能量存储。可以说，Goodenough老爷子和Braga博士发明的这种新策略让全固态电池变得“good enough”，为可充电电池的发展找到了一个新的方向。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Alternative strategy for a safe rechargeable battery
Energy Environ. Sci., 2017, 10, 331-336, DOI: 10.1039/C6EE02888H
参考文献：
1. M. Koo, K. I. Park, S. H. Lee, M. Suh, D. Y. Jeon, J. W. Choi, K. Kang and K. J. Lee, Bendable inorganic thin-film battery for fully flexible electronic systems, Nano Lett., 2012, 12, 4810-4816, DOI: 10.1021/nl302254v
2. M. H. Braga, J. A. Ferreira, V. Stockhausen, J. E. Oliveira and A. El-Azab, Novel Li3ClO-Based Glasses with Superionic Properties for Lithium Batteries, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 5470-5480, DOI: 10.1039/C3TA15087A
3. M. H. Braga, A. J. Murchison, J. A. Ferreira, P. Singh and J. B. Goodenough, Glass-Amorphous Alkali-Ion Solid Electrolytes and Their Performance in Symmetrical Cells, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 948-954, DOI: 10.1039/C6EE02888H