当前锂离子电池技术的局限是什么？

从电信到交通，过去二十年见证了高效、便携、环保电池的发展。耗电量巨大的移动电话线路在很大程度上取代了低压固定电话线，而电动汽车经常出现在欧洲道路上—在加速和效率方面都超过了碳氢燃料汽车。

电子香烟取代了导致肺癌的烟草产品，因为电子香烟让空气中充满了芳香的蒸汽。每一种设备都需要高密度的可充电电池才能正常工作；无论好坏，锂离子电池已成为标准；毕竟，铅酸电池体积庞大、危险且低效，而镍镉电池中的镉在2005年被欧盟宣布为非法。

锂离子电池技术的局限

锂电池具有非常高的能量密度，这意味着它们可以存储相当大的电量：它们不会随着时间的推移而自行放电，并且它们不需要维护—因为它们没有内存而且电池也不需要定期循环来延长寿命。

锂电设备的未来前景光明，以至于电动汽车制造商特斯拉投入约45亿欧元来建立第一个太阳能电池超级工厂，为公司的Model S电池生产基于锂离子的动力墙、电池组和电池。世界上最大的锂离子电池是特斯拉在2017年制造的，完全充电后，可以为多达3万户家庭供电至少一个小时。

老化和降解

不可否认的是，锂离子电池会随着时间的推移而失效。阴极会降解，经过大约1000次充电循环后，高端电池将损失约20％的电量。锂离子电池即使不使用也会退化，而且在储存一年之后，充满电的电池也会损失20%的电量；如果他们进入“深度放电”状态，很可能就不会再充电了。这种降解主要是由于晶须、树状结构的出现，以及镀层表面的生长（统称为树枝状晶体）。

不利环境影响

虽然欧洲有许多设施可以收集和处理锂离子电池，但很少有设施可以进行回收利用的。尽管特斯拉计划在其超级工厂上促进电池的回收利用，但目前只能使用第三方合作伙伴来实现这一目标，这是一个低效的过程。通常，无效的锂离子电池会被直接扔进垃圾填埋场。

不幸的是，开采锂要比在回收过程中从电池中提取锂便宜得多——锂电池回收企业很少（如果有的话）收支平衡，因此需要国家补贴。虽然从地下开采锂可能在经济上是合理的，但却破坏环境。锂矿开采破坏环境。矿山和制造厂有毒物质的泄漏严重破坏了当地的生态系统——河流污染、杀死牲畜和鱼类，并使原本肥沃的农田受到严重污染。

虽然金属可以从海水或盐水沉积物中提取，但该过程需要大量的水。智利是世界上最干旱的沙漠，由于水资源有限，立法者正在考虑限制锂矿开采权。回收能力的缺乏和越来越多的电池供电产品意味着需求只会增长，而环境负担也会随之增加。

提高稳定性和性能

防止或改善锂离子电池相关问题的一种方法是提高其可靠性，确保它们不会随着时间的推移而降解并且可以无限期使用。

提高电池寿命和整体可靠性

韩国蔚山国家科学技术研究院的研究人员设计了一项新技术，该技术有望限制细胞内锂箔的枝晶生长。这有可能无限期地延长电池寿命，同时提高电池本身的稳定性和性能。该技术还处于早期阶段，涉及用锂—锂化锂—锂阳极上，从而形成更加均匀的表面，并限制枝晶体形成。该过程尚未在真正的电池中进行试验，研究正在进行中。另一种可能性是，工业将完全脱离锂离子电池和其他稀土电池，从而能够生产出一种材料简单、不污染环境的电池。

钾氧电池

钾氧电池最初于2013年开发，其存储容量是锂电池的两倍，效率也比锂电池高。但是电池每次充电都会降解，电池的续航时间从未超过10次，这使得该技术无法应用到可靠性和寿命要求较高的应用上。降解是由于氧气渗入阳极，导致阳极分解。最近的发展已经看到OSU研究人员将聚合物加入阴极，防止氧气到达并破坏阳极。在过去六年中，钾氧电池的寿命从10个充电周期跃升至至少125个。这仍然不如锂离子电池好，但已经取得了进步。

如果OSU研究人员能够将钾氧电池的性能提高到相似水平，那么钾氧电池就比锂离子电池有优势。否则除了提高电量和效率外，超级工厂将不需要制造它们。钾氧电池的成本不到锂电池的一半，它们不使用任何特殊材料而且它们还可以在任何地方制造。

电动汽车续航里程的持续提升也推动着动力电池能量密度的提升，目前普遍使用的石墨负极材料的理论比容量仅为372mAh/g，远远无法满足高比能电池的设计需求，因此容量更高的Si和SiO材料体系成为目前的研究热点，然而即便是容量更高的Si负极也无法满足400Wh/kg，甚至500Wh/kg下一代高比能电池的需求，因此金属Li又进入到人们的视野。金属锂的理论比容量为3860mAh/g，本身又具有极佳的导电性，因此是一种理想的锂离子电池负极材料，然而金属锂负极在使用过程中面临着金属锂枝晶和死锂等问题，不仅严重影响金属锂电池的循环性能，还会造成严重的安全隐患。

为了解决金属锂负极存在的这些问题，近日美国陆军实验室的JudithAlvarado（第一作者）和OlegBorodin,YingShirleyMeng,KangXu（通讯作者）开发了一种FSI-和TFSI-双锂盐混合型醚类电解液，新型电解液优化了Li在负极的沉积过程，从而显著提升了金属锂电池的循环性能，NCM622/Li电池循环300次后容量保持率仍然高达88%。

锂离子电池中电解液为酯类溶剂体系，反应活性比较高，因此不适合金属锂电池，而醚类溶剂则相对比较稳定，研究表明醚类电解液能够很好的抑制金属锂枝晶的生长。除了溶剂体系外，锂盐的选择也对金属锂负极的性能有着显著的影响，例如高浓度的LiFSI能够显著的提升锂金属电池的库伦效率。