一段时间以来，能源专家一直坚定地认为，未来我们将需要更多清洁能源，才能替代化石燃料来源并减少二氧化碳排放。例如，电动汽车将需要取代行驶在道路上的汽油车。然而，要让电动汽车行驶更远，或让手机保持更长时间的电量，我们需要更好的电池，而且需要更多电池。在向可再生能源转型的过程中，蓄能装置也发挥着关键作用：它们可以储存风力涡轮机或太阳能发电厂产生的过剩电力，并弥补能源供应的波动。
在这方面，研究人员正积极寻找能够提供更高能量密度和充电容量的新材料，同时这些材料的重量或体积又不应超过当今锂离子电池所用材料。如今的电池为智能手机、电动汽车和笔记本电脑提供可靠电力，但已无法满足日益增长的需求。电化学材料研究所的科学家 Semih Afyon 博士概括了推动电池研究的基本理念：“我们需要新的化学体系和新型化合物，以获得安全、性能更好且寿命更长的电池。”
以玻璃颗粒取代晶体
由 Afyon 和名誉化学教授 Reinhard Nesper 领导的 ETH 研究人员如今取得了一项发现。经过数年的研究，他们发现了一种可能使电池容量翻倍的材料：钒酸盐硼酸盐玻璃。研究人员将这种玻璃用作阴极材料，相关成果近期发表在 Nature 出版社旗下期刊《Scientific Reports》上。
这种材料由氧化钒（V2O5）和硼酸锂（LiBO2）前驱体制成，并覆以还原氧化石墨烯（RGO），以改善材料的电极性能。研究人员采用一种钒基化合物，是因为钒这种过渡金属具有多种氧化态，可借此实现更高容量。在晶体形态下，五氧化二钒可以容纳三个带正电的锂离子，是目前阴极材料（如磷酸铁锂）所用材料的三倍。
然而，晶态五氧化二钒无法释放所有嵌入的锂离子，而且只能实现少数稳定的充放电循环。这是因为锂离子在充电过程中进入晶格后，晶格会膨胀。因此，整个电极颗粒会膨胀，也就是说，体积增大；待电荷离开颗粒后，颗粒又会收缩。这一过程可能导致电极材料出现结构变化和接触损失等不稳定性。
因此，研究人员必须找到一种方法，在最大限度提高容量并保持材料“接纳”电荷能力的同时，保留初始材料的结构。他们由此想到，不采用晶态钒，而是将其制成玻璃。在玻璃这种所谓的“非晶态”材料中，原子不会像处于晶态时那样排列成规则晶格，而是处于杂乱无序的状态。
生产成本低且工艺简单
为制备阴极材料，Afyon 和同事将五氧化二钒粉末与硼酸盐化合物混合。“硼酸盐是玻璃形成剂，因此我们使用了硼酸盐化合物；最终得到的玻璃化合物是一种新型材料，既不是 V2O5，也不是 LiBO2，”这位研究人员说。材料科学家将粉末加热至 900°C 熔融，并尽可能快速冷却熔体，使其形成玻璃。随后，他们将所得薄如纸片的薄片粉碎成粉末再使用，因为这样可以增大其表面积并形成孔隙空间。Afyon 表示：“钒酸盐硼酸盐玻璃的一大优势是制造简单且成本低廉。”预计这将提高其找到工业应用的可能性。
为制成高效电极，这位研究人员在钒酸盐硼酸盐粉末上涂覆了还原氧化石墨烯（RGO）。这能提高导电性，同时保护电极颗粒。不过，它不会阻碍电子和锂离子在电极中的传输。
Afyon 将这种钒酸盐硼酸盐玻璃粉末用于电池阴极，随后把阴极装入纽扣电池原型中，进行多次充放电循环测试。
功率最高可达两倍
在最初使用钒酸盐硼酸盐电极的试验中，电极未采用 RGO 涂层材料；当电流倍率提高到每克 400 毫安时，经过 30 次充放电循环后，放电容量大幅下降。相比之下，使用 RGO 涂层时，容量在高倍率下相当稳定，而且在超过 100 次充放电循环后仍持续保持在较高水平。
一款采用 RGO 涂层钒酸盐硼酸盐玻璃电极的电池，其能量密度约为每千克 1000 瓦时。它实现的放电容量远超 300 mAh/g。最初这一数值甚至达到 400 mAh/g，但随着充放电循环进行而有所下降。
Afyon 估计：“这足以让手机的续航时间达到当今锂离子电池的 1.5 至 2 倍。”这也可能使电动汽车的续航里程提高到标准值的 1.5 倍。这些数字仍属理论估算。
专利与后续开发
研究人员已为这种新材料申请专利。他们还与行业合作伙伴共同开展开发工作。这位研究人员说：“我们的重点既包括实际应用，也包括基础研究。”一项新概念通常需要大约 10 至 20 年才能在市场上站稳脚跟。
研究人员在钒酸盐硼酸盐玻璃方面取得的积极成果，促使他们继续在这一领域开展研究。Afyon 目前担任一个研究联盟的项目负责人，该联盟由电化学材料教授 Jennifer Rupp 领导，专注于开发创新型固态电池。他们已经在这一系统中使用并测试钒酸盐硼酸盐电极，下一步是优化系统。尤其是，他们必须大幅增加充放电循环次数；这可以通过改进电池和电极设计，以及采用还原氧化石墨烯以外的涂层来实现。
本文由 苏黎世联邦理工学院合作发布。本文的发布并不表示世界经济论坛认同文中观点。
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作者：Peter Rüegg 在苏黎世联邦理工学院学习生物学，重点研究生态学、植物地理学和生物系统学。
图片：2009 年 12 月 8 日，伦敦一家回收中心的收集箱中放着电池。路透社/Kevin Coombs。
