谁在未来最有希望化解新能源汽车自燃危险，提升续航能力

针对近来20多起新能源汽车起火事件，专家坦言：“别怪电池，怪你自己”——防止新能源汽车自燃，车重要从自身做起，定期更换电池，防止长时间充电；防止电池板磕碰。要是这么说，新能源汽车还是卖不动！

更换电池几乎就是换车，成本不菲；防止长时间充电，以现在的快充技术，无异于让电池自毁前程，很快也要更换了；防止磕碰，车就是开的，什么样的情况都可能发生；另外，环境温度高也在所难免。像专家说的那样：难！

一百多年前，爱迪生率先认识到元素周期表第30号元素锌（Zn）是有用的电极材料。他甚至为首个可充电镍锌电池申请了专利。但不幸的是，其循环寿命不是很好，受到枝晶的影响。枝晶是所有电池设计者的祸根，就像钟乳石相同。它们会不断生长，直到刺穿隔离膜并使电池短路。锌恰好会迅速生长出枝晶，爱迪生没有找到解决方法。

锌（Zn）是有用的电极材料

锌属于一次性电池，即不可充电电池，常见的有碳性电池和碱性电池等。但是开发人员并没有忘记锌的用途，并且在过去的50年中一直致力于制造有用的可充电锌基电池，已经实现了许多今天使用中的一些解决方法。它们的范围从抑制枝晶的添加剂到离子电解质、可移动锌板，以及流动式或燃料式电池。这些方法确实有效，但有一些妥协。它们能量很大，但是功率很低。它们是相对简单的组件，但要使用有泵、存储、水箱、控制阀和控制器的复杂系统。大多数都更适用于大型固定式应用，例如网格存储。关于移动应用和固定式应用都没有用。

到现在。人们一直在寻找简单易用、可以数百次循环实现高能量和高功率、让爱迪生会为之骄傲的解决方法。

近年来，对安全电池的需求在急剧新增，这重要是由于使用锂离子电池的各种电子设备不时发生火灾。引起此类火灾的重要原因是高度易燃的电解液，防止此类事故就要采用不易燃的电解液。在这方面，使用水基电解液的锌离子二次电池首当其冲。由于没有爆炸的危险，它被认为是替代锂离子电池最有希望的候选者之一。

九月初，美国国家研究理事会（NationalResearchCouncil，NRC）在一篇“下一代锌离子电池，无爆炸或着火的危险”的文章中介绍了克服了现有锌离子电池局限性的锌金属表面处理技术的进展。

文章说，韩国科学技术研究院（KIST）储能研究中心的Joong-KeeLee博士领导的研究小组开发了下一代二次电池，这种电池使用锌金属作为电极，没有任何爆炸或起火的危险。这种电池足够安全，可以戴在身上，并且可以制成纤维状，这意味着将来有可能将其用作可穿戴设备的电源。

KIST研究人员通过电极的表面处理技术开发了安全的锌离子电池。中为Joong-keeLee博士。

然而，作为现有的锌离子电池的核心材料的锌阳极存在固有的问题，因为它在水基电解质中经受着持续腐蚀。不仅如此，当锌离子存储在金属表面时，它会以支链（树突状）的形式积累成晶体，并导致电极之间的短路，使效率急剧下降。人们试图通过诸如锌金属配合物、表面涂层和形状改变的方法进行各种研究来解决该问题，但是在加工成本和时间方面存在很大限制。

从有树突到涂在锌六角锥芯上的无树突“功能化ZnO层”

由KIST的Lee博士领导的团队开发了一种周期性阳极氧化方法，该方法涉及反复允许和防止电流在金属电极表面上的流动，从而成功同时控制了氧化锌膜阵列的表面涂层形态和形状图案。

使用这种方法，KIST研究团队通过在锌金属表面形成六角形锥体的功能化形状，抑制了电化学反应期间枝晶的生成。根据周期性阳极氧化方法，覆盖六边形锥体上部的氧化锌较厚，而侧面较薄。厚度的变化促使锌金属在具有相对较薄的氧化锌层的一侧积聚。由于在金属表面上垂直积累，枝晶问题一直没有解决，但是所讨论的新技术使得锌金属膜在电极表面上沿水平方向生长，并且能够有效地抑制枝晶的出现。在表面上形成的氧化锌膜阻止了与电解质的直接接触，从而同时防止了腐蚀和副反应的发生。

通过这项研究开发的锌离子二次电池在1000次循环中仍保持了近100％的容量，即使该电池在极端条件下（9000mA/g，完全充满和放电大约2分钟）重复充电和放电，也具有结构和电化学稳定性。基于这种稳定性，KIST研究人员制造了一种具有柔性纤维形式的锌离子二次电池。除了很容易弯曲（锂离子电池不能弯曲，受外力用途容易短路）外，它还可以用于衣服、袋子（假如用织物制成）。

Lee博士说：“本研究开发的高性能锌离子二次电池不会出现锂离子电池与人体接触相关的任何潜在风险。我们希望它作为下一代对人体安全且不会引起任何爆炸或着火危险的二次电池而受到关注，并且其出色的电化学性能可与现有的商用电池相媲美。看来，基于出色的稳定性、改进的电化学性能和简单的工艺，将有可能使其制造工艺在现实生活中实际应用。”

八月下旬的一条消息同样让我们看到了消除新能源车续航焦虑的希望。据《科学机器人》报道，密歇根大学（UniversityofMichigan）的工程师用一种新型锌电池演示了一种与机器人“融为一体”的技术，可以为未来的机器人供应高达72倍于当前配置的动力。无独有偶，其锌电池与Lee博士的研究结果都显示了锌电池柔性的一面。

研究人员以这种电池作为蝎形机器人的结构材料，让机器人具备了一些令人难以置信的能力。这种结构材料可以储存能量，就像动物体内的脂肪相同。

采用锌电池材料的虫形机器人

这项研究旨在用廉价、无毒的锌电池为新一代机器人设备供应电力。这些电池通过由水基聚合物凝胶和凯夫拉背心中使用的芳纶纳米纤维制成的膜在锌电极和空气阴极之间传输氢氧离子，这种设计开启了一些有趣的多功能特性。

该团队使用这种结构材料制造了蝎子和蠕虫形状的小型机器人。这些连接机器人电机的电池被包裹起来，以保护内部的脆弱部件。这样，多功能的生物形态电池就变成了机器人的结构部件，也是其动力来源，其性能类似于今天使用的典型锂离子电池。

领导该研究的NicholasKotov解释说：“就能量密度而言，目前没有其他结构电池能与当今最先进的锂离子电池相媲美，但为了尽可能完美，我们对之前结构的锌电池版本进行了10项改进。”

NicholasKotov

NicholasKotov表示，目前机器人的设计通常会受限于电池的体积，它不仅占据了约20%的可用机载空间，而且也占了总重量的20%。而结构电池的能量密度可能会在这方面改变供电游戏规则，例如，它可以将送货机器人的续航能力提高一倍，甚至更多。

该研究的第一作者MingqiangWang表示：“然而，这并不是极限。我们估计，假如将机器人的外置电池也换为锌电池，与使用单节锂离子电池相比，机器人的电力容量可以新增72倍。”

这样的想法不仅适用于针对送货或仓储物流等应用的机器人，还可能塑造尺寸更小的机器人。传统的电池太大、效率太低，无法完成这项工作。而关于新能源汽车呢？这项技术应该也是一个福音，续航效果可想而知。因为能量密度非常高，电池可以做得很小，也意味着同等尺寸的电池可以储存更多电力。

还是八月，北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队在国际知名科技期刊AngewandteChemieInternationalEdition上发表了新型复合膜调控水基锌离子电池实现超长循环寿命取得突破的文章。

文章指出，水基锌离子电池具有高安全性、低成本等优势，因而是下一代具有产业化前景的储能技术之一，但其商业化应用面对锌负极生长枝晶、电解液析氢、碱式硫酸锌副产物生成等问题。通常有机涂层可有效阻止阴离子、自由水与锌负极接触，隔离阴离子可以有效缓解锌离子沉积过程中阴离子聚集引起的空间电场不均问题，达到锌离子均匀沉积的目的，还可以有效抑制副反应，但目前采用的有机涂层缺乏锌离子传输通道，导致电池极化增大，而水基锌离子电池电化学窗口较窄，极化增大对其发展非常不利。

潘锋教授团队的新型复合膜是在锌负极上原位重塑了Nafion-Zn-X复合膜，它不仅能有效阻止阴离子、自由水与锌负极接触，显著抑制锌枝晶和副反应，而且该复合膜中的磺酸基可以与锌离子配位，降低锌离子脱溶剂化势垒，并形成锌离子传输通道，显著降低锌的沉积过电势。测试结果显示，用这种方法制作的电池可稳定循环10000次，电池的库伦效率也得到显著改善，数次循环后可达97%。最后，将改进过的锌金属阳极组装成全电池或电容器后，获得了优异的循环性能，说明该复合膜层具有极大的实用价值。

20多年来，锂离子电池在充电电池市场上堪称一枝独秀，而用锌电池取代锂离子电池的脚步也一直没有停止过。