從“新”“鋰”感受美好生活

祁麗亞

中國石油化工股份有限公司? ?北京化工研究院

|推薦單位|

北京創(chuàng)造學會

2008年北京奧運會期間，約500輛新能源服務車穿行于鳥巢、水立方和奧運村之間，這是全球第一次大規(guī)模的新能源車示范。2022年北京張家口冬季奧運會，科技奧運與綠色奧運的理念將繼續(xù)傳遞，新能源車將在國際舞臺上扮演越來越重要的角色。

為什么一定要發(fā)展新能源車

第一，發(fā)展新能源可有效降低對石油、天然氣等化石能源的高度依賴，提高我國的能源安全。第二，在傳統(tǒng)汽車領域中國起步較晚，在關鍵技術和核心產品上依然有很多阻礙。而在新能源車領域，大家起點基本一致，我國可實現(xiàn)彎道超車。第三，傳統(tǒng)化石能源的使用會引發(fā)嚴重的環(huán)境污染，而新能源汽車幾乎是零排放?！疤歼_峰”和“碳中和”的“雙碳”目標進一步凸顯了新能源車的重要性。盡管具備如此多的優(yōu)點，但“充電樁數(shù)量少”“充電時間長”“續(xù)航里程短”仍是新能源車主抱怨最多的三句話，也是長期制約其發(fā)展的“三座大山”。如何能夠翻越這“三座大山”，實現(xiàn)新能源車更廣、更快、更好地普及呢？關鍵在于用更好的電池，即發(fā)展新一代“大容量”“高倍率”“長循環(huán)”的電 池。

如何發(fā)展新一代電池

中國石化北京化工研究院團隊采用了逐一攻克的辦法。第一步先挑選大容量的電池材料。經過大量對比發(fā)現(xiàn)，金屬鋰理論容量是目前商業(yè)化鋰電池負極材料的10倍以上，而且它的導電性很好，充放電很快，可以說是最理想的電池材料之一。可是金屬鋰有一個致命的問題，在長時間充放電時會長出枝晶，這就好像一個光滑的平面突然冒出千萬根刺，可想而知這朵“帶刺的玫瑰”最終會戳穿電池，造成短路，甚至引發(fā)爆炸。所以第二步就是解決枝晶問題。目前通用的解決辦法之一是構建三維銅集流體，這就好像搭建一座銅房子，讓刺在屋內生長，從而無法穿透房間。可是問題又來了，搭建這座銅房子不僅耗時耗力，而且成本很高，難以規(guī)模化生產。所以團隊就在思考與其從無到有直接搭建“銅房子”，不如采用一種轉化的思路：先搭建一座便宜的布房子然后再粉刷上一層銅，讓它變成“銅房子”。點石成金雖然不可能實現(xiàn)，但點布成銅卻具備可行性。現(xiàn)在的問題就變成了如何能夠精準、360度無死角地粉刷上這層銅，團隊從一種美味的食物身上得到了啟發(fā)，那就是貽貝。

貽貝會分泌出一種黏蛋白，它像膠水一般牢牢吸附在船底。但就是這個讓漁夫無比頭疼的小家伙，在科學家眼里卻如珍寶。黏蛋白的核心成分與多巴胺類似，所以可直接采用更常見的多巴胺溶液。首先將玻璃纖維布浸泡在多巴胺溶液當中，可想而知，多巴胺必定會牢牢吸附在材料表面。我們發(fā)現(xiàn)白色的布房子真的變成了黑色的多巴胺房子。接下來加入還原劑和銅離子溶液反應，24小時后，黑色的多巴胺房子真的變成了紅色的銅房子。

不僅如此，可以將玻璃纖維布替換成生活中更為常見的材料，通過簡單的浸泡，也都得到了令人滿意的結果。這證實了方法的高效性，也極大地拓寬了材料的可選擇性。用這種材料制備的電池經過數(shù)百次循環(huán)后，效率依然穩(wěn)定在98%以上。相信，在不遠的未來，即使是人們手中輕而薄的紙，經過適當改性也可用于生產大容量低成本的電池。