“随身携带一块信用卡大小的充电电池，移动电子设备就不再担心失去电能，驾驶着电动汽车进入服务站，十几分钟后就能满电轻松上路。”与电池打了十来年交道的中国科学院化学研究所研究员郭玉国这样描绘到。从镍镉电池到锂电池，我们见证了充电电池在性能和寿命上的蜕变，而进入一切皆移动的数字时代，我们需要电池能提供源源不断的供电能力以及无需等待的充电时间。尽管阻力重重，但郭玉国认为随着不断的技术革新，这种由新型电池构筑的美好时代并不是天方夜谭，一个告别“电力短缺”的移动新时代会快步向我们走来。

　　纳米技术提升锂离子电池性能

　　提起电池，郭玉国可以说是如数家珍，任何电池板在他手中都如同老友一般亲切熟悉。2011年，隶属于麻省理工学院的《技术评论》杂志将“全球杰出青年创新家TR35”奖颁给了这位不到35岁的年轻人，在组委会制作的纪念册里，郭玉国的卡通形象手中，就握着一块淡蓝色、带有“+”“-”级符号的电池组。

　　体积小、容量大、电压高，锂离子电池毫无疑问是当今可充电电池市场的主导者，但人们总是希望电池还能够体积更小、充电更快、使用更久。郭玉国的工作就是，运用纳米技术大大提升锂离子电池的这些性能。

　　“纳米”如何帮助电池提高性能呢?郭玉国随手拿起办公室里的一块宣传展板开始耐心讲解。首先我们需要了解锂离子电池的工作原理。传统锂离子电池包含着两个电极，一个电极是由含锂的正极材料构成的，另一个则由碳负极构成，两个电极浸没在像液体或糊状物的电解液中。充电过程就是锂离子从原先呆的正极里出来，穿过中间的电解液，嵌入到碳负极里去，放电过程则是锂离子反方向跑回原来的正极里，因此如何让电池能够快速实现充放电，其实就是锂离子能跑多快的问题。

　　“传统的电极材料由于颗粒较大，锂离子跑到表面上，需要很长一段时间才能慢慢嵌入材料内部去，就相当于一条虫子慢慢往一个固体里钻，是一个很慢的过程。但如果把这几十微米的颗粒缩小到100纳米，理论上锂离子就能很快嵌入进去了，从而大大加快充放电速度。同时，由于材料变得更细小，其储存锂离子的潜能就更充分发挥，电极材料的容量和电池的能量密度也能得到提升。”郭玉国说。

　　然而，理论上成立的东西实际上并不容易做出理想化的成果，如何保持材料的稳定性，增强电池的循环使用寿命成了郭玉国头疼的问题。

　　“你必须优化设计出一个合适的结构，它既能提升电池性能，又能保持安全稳定，同时还需要尽可能缩小体积，降低成本，全世界的实验室都在做这个事情，可见并不容易。”郭玉国深知其中的困难。

　　打造新能源电动车“强心脏”

　　在中科院化学所，郭玉国几乎每天都在四个实验室打转，这里的瓶瓶罐罐、设备仪器甚至每一个电线他都了如指掌，他总是亲自带着学生们一同完成材料研发、电池制作、测试、监测数据等整个过程，仅每天需要测试的电池就达上千个，测试间里复杂电线钩织的网络和不断闪烁的红点让人感慨科研工作的艰辛。

　　其实，郭玉国的研究对象不仅是我们日常所需的移动电话、手提电脑等电子产品的电池，还有相当一部分是针对日益扩大的电动汽车领域，这对锂离子电池的性能有着更严格的要求。

　　众所周知，动力电池是电动汽车的心脏，心脏的强劲与否决定了电动汽车能跑多快多远。但目前业界主流的电动汽车锂离子电池，从实际应用效果来看并不能令人满意，充电慢、续驶里程短已经成为困扰电动汽车发展的最大障碍。而少数通过增加电池组数量，牺牲车重、成本经济性的方式增加续驶里程，其模式也是难以推广。

　　“我们期待的是，未来在基于新技术的电动车电池的支持下，电动车使用者可以实现自由远距离行驶，好像是向汽车内注入汽油或柴油燃料一样，我们在汽车服务站只需十几分钟就能将电池充满。”郭玉国说。

　　实现这一愿望的关键就是提升锂电池快速充放电的性能。一方面是开车启动的时候功率非常大，要求瞬间就把电池的功率都释放出来。另一方面刹车的时候要紧急制停，要求电能能够快速回收，这些都需要研发出更优的材料和电池结构。

　　经过无数次的实验及测试，郭玉国创造性地提出了微纳三维导电网络结构体系，除了用磷酸铁锂来实现更好的电池效果外，为了保持磷酸锂铁的纳米颗粒的高导电性，郭玉国将其纳入了较大的多孔碳颗粒之中，这种稳定结构不仅能够让电动车的电池以不到十分之一的成本，携带更多的电力，并且易于生产包装。目前，这种电池已经开始大量投产使用，大部分用于电动自行车，电动汽车则处于测试阶段。

　　新电池的未来没有坦途

　　也许，在不久的将来，我们就能开着更环保的电动汽车在路上自由行驶，再带上一块卡片大小的快充电池，就不用再担心手机、笔记本电脑随时会当机。

　　郭玉国对未来更高新能的新型电池充满信心，但同时实现这一愿望的阻力也很大，现有的一些高性能电池普遍无法解决循环使用寿命的问题，用完几次就报废的电池是不具有广泛实用性的。

　　目前，提高动力电池比能量的技术途径大致有两个。一是提升现有材料的性能，通过诸如纳米技术等工艺实现结构优化，但受制于自身物化的性能，这些以磷酸铁锂等为正极、碳材料为负极的锂离子动力电池在能量密度上很难有大的突破;二就是新材料、新体系的研发，这是未来动力电池比能量大幅度提升的主要途径。

　　郭玉国介绍，锂硫电池是目前高比能二次电池的研究热点，无论是作为正极材料的单质硫还是作为负极材料的金属锂，都具有很高的理论比容量，能比目前的锂离子电池高出五到六倍。通过反复实验，郭玉国还原创性地提出了利用小于0.5nm的微孔碳限制多硫离子溶出的机理，并合成出高比容量和循环性能的锂硫电池正极材料，对于锂硫电池的实际应用起到了重要的推动作用，为高稳定性的下一代锂硫电池的制造创造了可能。

　　虽然有了一些“眉目”，但这些产品距离产业化还有很长的路要走。郭玉国介绍，目前锂硫电池还处于实验室阶段，仍有许多问题亟待解决，新电池的未来绝没有坦途，这一领域十分庞大复杂，若能发展充分不仅能使内燃机成为多余，而且也能使人类广泛利用风能和太阳能，引领人类进入零排放燃料时代，引领一场绿色能源革命。郭玉国透露，目前除了深入研发锂硫电池，还在不断探索更多新材料，同时他自己也在深入产业界，帮助行业内以合理的价格生产更多性能更好的电池。