纳米离子学与能源材料实验室

由于锂离子的输运快慢与电池性能息息相关，因此开发兼具高离子电导率、高稳定性、高机械强度的固体电解质材料势在必行。

        材料基因组是近年来兴起的材料探索方法，其研究的关键是实现材料研发的“高通量”，即并发式完成“一批”而非“一个”材料样品的计算模拟、制备和表征，实现系统的筛选和优化材料，从而加快材料从发现到应用的过程。在锂电池中，从改善安全性的角度考虑，全固态锂电池被公认为未来二次电池的重要发展方向。然而使用固体电解质材料的一个最大问题是固体电解质中锂离子电导率比常规液态电解质中低了至少一个数量级。由于锂离子的输运快慢与电池性能息息相关，因此开发兼具高离子电导率、高稳定性、高机械强度的固体电解质材料势在必行。

        目前和今后很长时期内，我国能源结构仍将是以煤炭为主，但是煤炭的开发和加工利用已经成为环境污染物排放的主要来源，近年来全国各地出现的雾霾天气更是引起人们的高度关注。因此，发展洁净煤技术是我国能源发展的必然选择。
　　燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的清洁高效的发电器件，是解决目前化石类燃料燃烧发电效率低和污染环境的最有效手段之一，一直是国际上清洁能源领域的研究热点，可以真正实现将煤的利用“由黑变绿”。 目前，由煤制甲醇和合成气的生产技术成熟，成本低。近年来，中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室(筹)清洁能源实验室E01课题组孙春文副研究员和陈立泉院士围绕煤炭的清洁高效利用这一课题，致力于碳基燃料的固体氧化物燃料电池（SOFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）的研究。其中，DMFC是以甲醇为燃料，离子交换膜为电解质的一类燃料电池。与其它质子交换膜燃料电池相比，DMFC最显著的特点是不用氢气。甲醇价格便宜，储存、携带方便，并且有完整的生产销售网络。DMFC尤其适用于交通工具和便携式电源，此外，也可应用于军事潜艇、单兵作战电源等，应用前景十分广阔。但是，开发具有高催化活性和抗CO毒化的甲醇电氧化催化剂仍然是目前DMFC面临的两大挑战。

        高容量正极材料是当前第三代高能量密度锂离子电池研究的热点。其中由岩盐结构Li₂MnO₃以及六方层状LiMO₂结构单元形成的富锂相纳米复合结构正极材料受到了广泛的关注。该类材料可逆储锂容量是第一代锂离子电池正极材料LiCoO₂的两倍，达到250-300 mAh/g。目前普遍认为富锂相正极材料如此高的容量与组分中Li₂MnO₃结构单元的高容量有关(理论容量为458 mAh/g)。该材料实际应用目前还需要解决电压衰减、提高倍率特性和循环性等瓶颈技术。由于富锂相材料微结构复杂，对其结构演化、电荷转移机理及其与材料性能的关系缺乏准确的认识和实验证据。针对这一现象，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）清洁能源实验室与先进材料与结构分析实验室、北京散裂中子源靶站谱仪工程中心以及美国布鲁克海文国家实验室合作，对Li₂MnO₃材料及其作为结构单元在富锂相材料中的结构演化与电荷转移进行了深入研究。

      2017年4月24-26日，第七届中国国际储能大会在苏州香格里拉大酒店圆满召开，来自中、美、英、德、澳、日、韩等国家的1400余位嘉宾到场参会。大会共邀请140余位行业专家与企业代表，围绕产业热点话题，发表了一系列精彩演讲。

    大会期间，中国科学院物理研究所研究员李泓，在“电动汽车与动力电池专场”，以《从液态到全固态电池：未来储能技术展望》为题发表演讲，现将演讲主要内容发布，以飨读者。

中国科学院物理研究所研究员李泓

   在电池这个庞大的家族中，相比人们熟知的锂离子电池、铅酸电池，镍镉电池、钠离子电池等因储能容量受限、循环次数较少因素未能成为市场的“宠儿”。

　　不过，近日中国科学院物理所研究员胡勇胜带领团队给钠离子电池的市场带来了一针“强心剂”。他的团队成功利用无烟煤制作出钠离子电池负极，为其进一步市场化应用提供了可能。

  近期，中国科学院物理研究所在钠离子电池碳基负极材料研究上取得了突破。科学家采用成本低廉的无烟煤作为前驱体，通过简单的粉碎和一步碳化得到了一种具有优异储钠性能的碳负极材料。与锂相比，钠储量丰富、分布广泛、成本低廉，并且与锂具有相似的理化性质，因而钠离子电池的研究再一次受到科研界和工业界的广泛关注。而与锂离子电池相比，钠离子电池的能量密度通常较低，虽不太适合应用在对能量密度有较高需求的便携式电子设备和电动汽车领域，但适合应用于对能量密度要求不太高、对成本敏感的低速电动车和通讯基站、家庭储能、电网储能等领域。高性能电极材料的开发对实现钠离子电池的商业化应用至关重要，特别是高性能、低成本的负极材料仍是制约钠离子电池实用化的瓶颈。