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锂离子电池研究进展化工专硕当今的移动世界离不开锂离子电池，因为这是已知的可充电电池的最好选择。在去年（2013年）全世界的消费者消费了大约50亿只锂离子电池，它们被用来给智能手机、照相机、笔记本电脑以及电动汽车来供电。美国阿贡国家实验室能源储存联合研究中心（JCESR）的负责人乔治·克拉布特里说：“这是有史以来最好的电池技术。”但是，无论是他还是众多的电池研究者的目标都不止于此。我们一直都在寻找能够取代锂电池的新型电池。当然，在此还要对几个容易混淆的概念进行说明：锂电池，锂离子电池和锂离子聚合物电池。锂电池，虽然常常被用作为锂离子电池的简称，但严格意义的锂电池是锂原电池，内含纯态的锂金属，为一次性使用、不可充电。最早得以应用于/wiki/%E5%BF%83%E8%84%8F%E8%B5%B7%E6%90%8F%E5%99%A8心脏起搏器中。锂电池的自放电率极低，放电电压平缓。使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电。锂离子聚合物电池，一种用胶态或固态聚合物取代液态有机溶剂的可充电锂离子电池，其安全性较好。这种形式的电池是由锂离子电池演化而来的。最主要的差异是电池中锂盐的电解质是由固态的聚合物如聚乙二醇或聚丙烯腈所携带、而非锂离子电池使用的有机溶液。锂聚电池比起锂离子电池，具有更低的制造成本的可能性、更有弹性的包装形状选择、可靠度、和耐用性的优点。而缺点是其充电电容量较小。 锂聚电池最初大约在1995年的消费性电子产品中出现。锂离子电池，是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。其工作原理如下：充电时Li+从正极脱出并嵌入负极晶格，正极处于贫锂态。放电时Li+从负极脱出并插入正极，正极为富锂态。为保持电荷的平衡，充放电过程中应有相同数量的电子经外电路传递。与Li+一起在正负极间迁移，使正负极发生氧化还原反应保持一定的电位事实上，锂离子电池并非新鲜产物，早在上世纪七十年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂离子电池。1982年伊利诺伊理工大学的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。1996年Padhi和古迪纳夫发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁（LiFePO4），比传统的正极材料在安全性和寿命方面有所进步，但低温性能和压实密度有待提高。与1991年索尼公司推出的第一款商业版锂离子电池相比，如今锂离子电池的能量密度，即单位质量所存储的能量，已经是原来的两倍多，而成本只是当时的十分之一。但是锂离子电池的能量密度已经接近极限。许多研究人员认为，锂离子电池的能量密度能再提升百分之三十就已经是极限了。这是一个很尴尬的预测，尽管锂离子电池和一般的镍镉电池相比有高能量密度、输出功率大、无记忆效应、低自放电率、工作温度范围宽以及充放电速度快等优点（具体如下图）：但是其能量密度的基本饱和还是意味着锂离子电池是有极限的，永远无法让一辆电动汽车媲美油耗汽车的续航能力，也不能负荷像苹果手机这样越来越大越来越耗电的电老虎般的智能手机。更不用说，锂离子电池还有不耐过充电、过放电、需要多重保护机制、以及原料昂贵的缺点了。因此，在2012年，JCESR从美国能源部争取到了1.2亿美元的资金来研究超越锂离子电池的技术。坊间传闻，它们的工作计划是研究出储能达到现在特斯拉商用电池五倍，而价格仅仅只有其五分之一的电池，这一切都要在2017年之前完成能量密度达到400瓦时/千克的电池。考虑到经过大约一百年时间，研究者才研制出六倍于20世纪初可充电的铅电池和镍电池能量密度的高能锂电池，这个目标几乎是不可能的。但是，JCESR并不孤单，亚洲、美洲和欧洲的许多研究团队和公司都在寻找取代并超越锂离子电池的新技术，大致有锂-硫电池，多价离子电池和氧电池三类，下面我们将对其进行分别介绍。锂-硫电池在2013年初，化学工程师埃尔顿·凯恩宣称自己研究出了一种新型的化学电池，尽管并不十分完善，但是极具潜力。这种硬币大小的电池经历了几个月的充放电实验后，依然状态良好可以使用。截止2013年7月，他的电池已经在美国劳伦斯伯克利国家实验室经历了1500次充放电循环，但是其电池容量仅仅损失了一半，这样优良的性能基本可以媲美最好的锂离子电池了。凯恩斯的电池也并非是新概念电池，这是一种早在40多年前就被人提出的锂-硫电池，使用的材料与锂离子电池的锂钴酸盐相比非常低廉，理论上的能量密度也是锂离子电池的五倍以上。但一直以来研究人员都无法让它的使用寿命超过一百次充放电循环。而如今的技术突破使得很多人认为凯恩斯的电池技