结论错误却赢得诺贝尔物理奖，他创建的实验室引领超越锂电池技术
结论错误却赢得诺贝尔物理奖，他创建的实验室引领超越锂电池技术
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在电化学和物理学中，我们常见一个名词“费米能级”（Fermi Level）。他在电化学中，表示电子的化学势，也叫电化学势能。而在物理学中，费米能级是电子的假设能级。当热力学平衡时，这个能级有50%的可能性被占据。
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“费米能级” 是以著名的物理学家恩里科·费米的名字命名的。费米对核物理，量子物理，统计力学等都做出了巨大贡献。他还参与著名的“曼哈顿计划”，领导并制造出世界第一个核反应堆。在1938年他因研究由中子轰击产生的感生放射以及发现新元素而获得了诺贝尔物理学奖。
然而，后来证明， 他发现的并不是什么新元素，而是核裂变产物。可这并不影响费米在科学界的巨大声誉。
曼哈顿计划中诞生的第一个美国国家实验室，现在著名的阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）就是由恩里科·费米创建的。迄今为止，该实验室共有三位诺贝尔奖获得者。在阿贡国家实验室的科学家发现了元素周期表中的第99和100号元素einsteinium和fermium。这两个元素的名字是为了纪念爱因斯坦和费米而取的。
阿贡国家实验室在引领着先进电池技术 ，从他们的研究中，我们也可以对下一代先进电池，或者说超越锂技术有一些了解。
图:1：科学家在阿贡国家实验室的电化学发现实验室进行下一代电池研究。（来源：阿贡国家实验室）
锂离子电池绝对在当今占据统治地位，但下一代储能设备——它有可能更安全，使用寿命更长——这可能比读者想象的更早出现。我们需要电池创新技术来实现可再生电网和重型运输脱碳，如长途卡车运输、海运和航空。脱碳是实现碳中和的重要方法。
自从2013年以来，阿贡国家实验室重点关注4个方面：液流电池、锂硫电池、多价电池和固态电池。现在已经获得30多项专利，并且可以提供许可。
公众号 "康桥电池能源CamCellLab" 在实验室授权这一点上，可以讲一个小故事。我国的动力电池第一大制造商宁德时代董事长曾毓群曾经花费100万美元获得美国贝尔实验室的软包电池专利授权。但是，按照美国人的方法做出的电池并不理想，胀气鼓包现象突出。后来曾毓群和电解质企业共同解决了这个问题。这说明我们国人的创新能力也很好。
话题回到阿贡国家实验室的先进技术。首先我们需要了解为什么要超越锂技术？
超越锂技术原因
电池的三个关键部分：正极，负极和电解液。正负极是电子进行转移的地方而电解液允许带电粒子（如锂离子）在正极和负极之间转移。
对于锂离子电池而言，当他放电时，锂离子也就是正电荷粒子从负极穿过电解液到达正极，而负极释放的电子从外电路回到正极。锂离子和电子的运动为使用设备提供电流。而当电池充电时，电子从外电路而锂离子经过电解液从正极到达负极。
锂离子电池占据市场的大部分，但是他也有许多不足。例如，锂离子电池使用有机电解液，有机电解液在空气中易燃，带来安全隐患。并且锂离子电池成本高，循环周期有限。
阿贡国家实验室为了克服上述缺点，对扩大电池用途的新设计和材料进行了重点研究。他们的先进技术包括：
氧化还原液流电池
图2：氧化还原液流电池示意图
太阳能和风能可以为国家电网提供能源，但是，他们的属性决定了这是非连续性能源。也就是说，在天气条件适宜的时候，风能和太阳能可以提供很多能量。国家电网接收这些能量可以利用电池来存贮，并在适当的时侯使用。
在这个领域，氧化还原液流电池被认为是一种超越锂离子电池技术的有价值的技术。与能够在短时间内提供大量能量的锂离子电池相比，液流电池更适合在较长时间内提供较能量。这种技术特别适合对电池能量密度要求不高，占地大成本低的场景。
阿贡国家实验室的研究揭示了使液流电池比现在能量密度更高和更加高效的方法。在他们的专利中中，解决了现有液流电池和非水性液流电池（一种新兴技术）的一些限制。
多价离子电池技术
锂离子只有一个电荷，而 多价离子多于一个电荷，这意味着多价离子可以实现更高的电荷密度。
图3：多价离子电池示意图
例如有镁和钙等多价金属制成的电极，他们的能量密度可以和锂相当甚至超过。并且他们在地球中的含量远远多于锂，这使得他们更加便宜，更可以连续制造。
为了推进他们的进展，科学家仍然需要克服很多的挑战。例如在多价离子电池中，电解质仅在非常小的电化学窗口中稳定存在。而阿贡国家实验室的知识产权解决了可在多价电池中工作的稳定电解质相关的挑战，这是保持长期性能所必需的。
锂硫电池
锂离子电池之外的锂硫（Li-S）电池显示出巨大的潜力。由于它们的化学性质以及硫比其他常用的正极材料（如钴、镍和锰）更便宜且更丰富，锂硫电池可以以低于传统锂离子技术的成本存储更多能量。然而，当锂硫电池放电时，可能会发生意外反应，导致称为多硫化物的材料在电池中积聚，从而缩短电池的循环 。
图4：锂硫电池示意图
阿贡国家实验室的科学家们已经开发出材料和工艺来应对限制锂硫电池技术发展的这一多硫化物挑战和其他挑战。他们的知识产权包括粘合材料专利，以防止多硫化物材料扩散到整个电池中，以及制造由硫制成的正极。
阿贡国家实验室的研究员说道：“硫在阴极内的分布方式非常重要。你希望硫颗粒不是大块，而是小块，这样你就可以有更多的界面可以发生反应。在我们的专利中，我们提出了一种制造硫的方法，该方法可以最大限度地增加材料中的界面或活性位点的数量。”
固态和锂金属电池
用于电动汽车的动力电池主要采用磷酸铁锂和三元材料的锂离子电池。这些锂离子电池面临着行驶里程以及快速充电的问题。世界各地的科学家也在研究固态电池来克服这些问题。固态电池使用不易燃的固体电解质代替传统锂离子电池中的易燃有机液体电解质。
图5：固态电池示意图
通过更换液体电解质，固态电池更稳定，因此可能更安全。固态锂金属电池也具有高能量密度和提供更大续航里程和更快充电速度的潜力。
尽管它们具有潜力，但这些固态电池往往会形成长而分枝的锂针，也就是枝晶，这会限制电池的使用寿命和安全性。阿贡国家实验室申请的知识产权中，为负极提供了一种专利涂层，可以抑制枝晶的形成。此外，他们还开发了新颖的工艺和电池设计，以提高效率并延长循环周期。
从上面这些先进电池技术，我们可以发现在“超越锂离子”领域上，阿贡国家实验室提供了在未来几十年改善能源储存的激动人心的机会。
公众号"康桥电池能源CamCellLab"在此建议 我国一些有远见的公司，是否可以学习宁德时代董事长曾毓群曾经走过的路，对于认为有价值的阿贡国家实验室专利，可以买进授权。也许，下一个电池世界的巨无霸就是你们。
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