說到鋰離子電池大家肯定并不陌生，從能裝進褲兜里的手機、行駛在路上的汽車，再到用于電網能量儲存的基礎設施都能見到它的身影。
目前，全球的鋰離子電池產量已達到約160G瓦時的水平。這項革命性的技術使其三位主要開發者在2019年獲得了諾貝爾化學獎。
然而，鋰離子電池產品并非完美無缺。它價格偏高；有可能發生著火現象；依賴于越來越難以獲得的材料，如鈷和鎳。
電池專家一致認為，總有一天會出現更好的電池。這說的有可能就是鋰金屬電池。
其實，鋰金屬電池算是鋰離子電池的前輩。它于1970年代由時任艾克森石油公司的化學家的斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham，2019諾貝爾化學獎得住之一）開發出來。
金屬鋰作為電池材料的一大優勢是，它很容易釋放電子和帶正電荷的鋰離子。理論上，如果電池體積不變，在搭載鋰金屬電池的情況下，電動汽車的續航里程將提升一倍。
但事實證明，惠廷厄姆的設計難以商業化，原因在于鋰有著高反應活性，通常鋰金屬箔與電解質會產生不良反應，從而導致電解質過熱，甚至出現燃燒現象。另外，用來做陰極的二硫化鈦也太貴。
一個3D孔的活性表面空間是一個2D電池的50倍
后來，惠廷厄姆和其他研究人員在鋰中加入了石墨，以此來降低其反應活性，并用更便宜的材料替換了陰極。于是，我們現在常用的鋰離子電池由此誕生。
帶有鋰金屬陽極的電池就此被當成了鋰離子電池發展道路上的一個有趣墊腳石。
不到十年前，來自麻省理工學院（MIT）的A123系統公司宣布破產，一定程度上是被這一不成熟技術拖了后腿，進而導致投資者對于電池技術的疑慮。
2013年1月28日，在美國首都華盛頓，外國投資委員會（CIFUS）正式批準，同意萬向集團收購A123。同樣源自MIT的SolidEnergy接管了A123閑置的設施，隨后開始以具備商業可行性的方式自主制造電池。
總部位于美國華盛頓州博塞爾的XNRGI公司也沒有放棄這個選項，目標是要將鋰金屬電池商業化并打入主流市場。
該公司研發團隊通過將金屬鋰沉積到涂有薄膜的硅襯底上，并蝕刻數以百萬計的微小孔洞，成功地抑制了金屬鋰的反應活性。
與傳統的鋰離子二維陽極相比，金屬鋰電池的三維基底大大增加了陽極的表面積。“使用金屬鋰陽極的容量是傳統石墨層間化合物的十倍。”XNRGI公司CEO克里斯·德庫托（Chris D’Couto）說道。
該公司預計2020年開始批量生產鋰金屬電池，供應給制造電動車和消費電子產品的客戶。
XNRGI還瞄準了電網存儲市場。2019年，它與加拿大初創公司Cross Border Power簽署協議，成立了一家合資企業，主要業務正是將其電池分銷給北美的公用事業機構。
當然，關于新電池技術的新聞從來就沒斷過，其中不乏有人說自己的研究是“革命性的，可以顛覆整個市場”。但相對而言，在實驗室里看起來很有前途的電池，到了真正投入市場時卻少之又少。
“這取決于你要滿足多少個指標。”阿貢國家實驗室儲能專家文卡特·斯里尼瓦桑（Venkat Srinivasan）解釋說，“如果是用于電動車，理想的電池應滿足續航里程為幾百公里、充電時間以分鐘為單位、工作溫度范圍廣泛、使用壽命達10年、碰撞安全等條件。當然，成本也要降下來。”
“考慮的指標越多，讓一項新的電池技術商業化就越困難，所以需要妥協。比如，想讓電池使用10年以上，那行駛里程可能就有限，充電速度也不會很快。”他補充說，“還有一點是，行業只希望看到至少與現有電池一樣好的產品。”
XNRGI的德庫托自己也承認，說商業化鋰金屬電池并非易事。但他同時表示，公司在幾個方面上有優勢。
首先，嚴格來講，XNRGI沒有發明新的制造方法，而是借鑒了芯片制造商用于制造集成電路的一些可靠技術，包括在硅上蝕刻20×20微米的空腔以及薄膜的應用。因此，該公司給電池起了個帶有“芯片”的名字：PowerChip。
德庫托說，這些用顯微鏡才能看到的微孔中的每一個都可以被看作是微電池。與鋰離子電池會發生災難性故障不同，一個PowerChip微電池出現問題不會傳播到周圍的電池上。
其次，一些鋰離子電池，如Enovix、Nexeon、Sila納米技術和Sion Power等公司生產的產品，是用硅替代部分或全部的陽極石墨，從而獲得更好的性能。在這些電池的陽極中，鋰與硅材料結合形成Li15Si4。
同樣，PowerChip的硅襯底具有導電涂層，可作為集流體和防止硅與鋰相互作用的擴散屏障。在這點上，德庫托稱鋰金屬陽極的容量大約是硅插層陽極的5倍。
目前，該公司正在使用由鋰鈷氧化物和鎳錳鈷制成的陰極，其電池容量是傳統鋰離子電池的兩倍，而硫等替代材料可以進一步提高陰極性能。“但如果只有一極的性能提高，另一極沒有相應的變化并不能激發出電池的全部潛能。”德庫托給出了這樣的回答。
此前，XNRGI叫做NEAH電力系統，開發過燃料電池。但是燃料電池市場并沒有起飛，所以到了2016年，在獲得美國能源部的許可后，它使用相同的概念造起了鋰金屬電池。
“我希望每個人都開電動車，甚至連飛機都應該電動化。”斯里尼瓦桑看了一眼快沒電的手機，接著說，“電池和生活一樣，總有改進的空間。”（文章&圖片來源：IEEE，作者：Jean Kumagai）
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