今日Nature: 武汉理工麦立强等呼吁实时监测电池老化过程

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了解电池的电化学过程对于制造出高效廉价的电池至关重要。多年来，在锂电池之外，研究人员也关注着其他电极材料，包括金属氧化物、硫化物、氟化物及复合材料等。X射线衍射、核磁共振、拉曼光谱及红外光谱等技术也被用于表征材料老化过程。随着电极材料的电化学过程和老化机制愈渐清晰，潜在的解决方案也似乎出现，比如制备不易结构变形的电极材料或是事先将锂离子植入电极材料中。然而这些并非完美的方法，特别是表征手段：它们尚不能对整个过程进行捕捉。

武汉理工大学长江学者麦立强教授，华盛顿大学清洁能源研究所晏梦雨博士，以及哈佛大学赵云龙博士今天在Nature杂志联名发表文章，对这一问题表达他们的观点和呼吁，引起了广泛的关注。他们的署名文章，也显示中国学者在电池储能领域的国际领先地位。

在清洁能源、交通和便携电子设备等领域，能量的储存是一个主要瓶颈。在目前的诸多电化学设备中，锂离子电池最具前景。它能够通过电极中的可逆反应进行能量的储存和释放。其小巧、安全和高效等优点，成为电动汽车的理想选择。

经过改良的锂离子电池已经延长了电动汽车的可行驶里程，2012年电动车只能行驶150公里，今天则已经超过了500公里，比如特斯拉的Model S 100D。当然，锂离子电池的成本依然较高（约250美元/千瓦时），效率也仍有限（200-250瓦时/千克）。

更要命的是，长久以来，电极的老化都是主要问题。由于涉及的电化学过程较为复杂，人们对其的了解不足，这一问题始终难以被清晰地展现。比如说，电极材料（通常是磷酸锂铁和锂镍钴锰氧化物等）以及固态或液态电解质的行为就起着重要作用。

为了更好地了解电极为什么会衰败，研究人员需要掌握新的方法来对电化学过程进行实时追踪。显微镜和光谱设备相对较为昂贵，其所见范围也有一定限制，而且还需要专业训练才能够使用。另外，其操作环境的温度和压力也和电池在使用时所处的条件有所不同，这意味着通过这种方法所获得的结果和结论也不会太精确。

工作中的锂离子电池可以被视为一个黑箱。研究人员需要在充放电的过程中，或者经历过一系列循环后把它打开，才能检测其中物质的状态。然而这只能让我们了解到冰山一角。电化学过程演化的速度很快，很多反应的生成物能在空气甚至惰性气体（比如氩）中分解。有些产物则会与氧气或二氧化碳进行反应。所以，打开这个黑箱可能会改变电池中的物质成分。

所以，对电化学过程的监测需要在系统封闭的情况下进行。麦力强团队从2008年就开始进行这项研究。他们研制的设备使用硅纳米线电极，能够在电池的工作过程中追踪电荷的传输以及纳米线结构的变化。随着电池反复的充放电，锂会逐步地被纳入电极，从而失去其晶体结构，削弱了传导性。

新的电池监测技术能够在时间和空间维度上带来更高的解析度，这为电化学界面和反应动力学的研究提供了新的方法。然而，其面临的障碍也尤为严峻。研究需要的仪器对于独立的研究团队来说较为昂贵，所需要的监测技术也需要跨领域的专业人才，从纳米制造到光学和电化学都会涉及。另外，学术界的重视度也是一个因素，毕竟这是对现有技术的进一步完善，而不像原创性研究更具吸引力。

面对这种现状，武汉理工大学麦立强教授、华盛顿大学晏梦雨和哈佛大学赵云龙共同在Nature上发表了题为“Track batteries degrading in real time”的评述，指出无论对于政府、学术界还是商业界来说，机构研究设备、专业知识和资金的支持与共享都将是深入追踪电池电极结构和化学过程的重要条件。多层面的团结合作至关重要，只有这样我们才能在技术层面上更好地理解电极的老化和其反应过程，进一步开发出更为高效和廉价的电池，为人类的生活做出切实贡献。

值得注意的是，虽然特拉普政府上台以来似乎在缩减美国的清洁能源研究，华盛顿州政府对清洁能源的热情和投入丝毫不减。华盛顿大学清洁能源研究所就是由州政府特别资助设立的新型研究机构，致力于太阳能、能量存储、以及智能电网等领域的研究，每年有保障的州政府经费达数百万美元，并设立极具显示度和竞争力、待遇优厚的特聘研究员项目。晏梦雨博士就是这一研究所的特聘研究员。

参考文献

http://www.nature.com/news/track-batteries-degrading-in-real-time-1.22169