美開發出穩定的金屬鋰陽極電池
為超輕超小超大容量電池的出現鋪平了道路
鋰陽極由于能使電池具備極高的能量密度，被譽為電池設計制造業的“圣杯”，幾十年來，一直都是科學家們孜孜以求的目標。日前，美國斯坦福大學的一組研究人員宣稱已經制造出了穩定的金屬鋰陽極電池，向這一目標邁出了一大步。研究人員稱，新研究有望讓超輕、超小、超大容量的電池成為現實，可穿戴設備、手機以及電動汽車或都將因此受益。相關論文發表在最新一期的《自然·納米技術》雜志上。
領導這項研究的斯坦福大學材料科與工程學院教授崔毅（音譯）說，在所有能用來制造電池陽極的材料中，鋰最有潛力，它非常輕又具有非常高的能量密度，有望讓質量輕、體積小的電池具備更大的容量。但制造鋰陽極卻是一件非常困難的事情，以至于不少科學家在堅持多年后不得不放棄。
目前，制造鋰陽極至少需要面臨兩個挑戰：一是鋰在充電時出現的膨脹現象。在充電時，鋰離子會聚集起來發生膨脹。所有的陽極材料，包括石墨和硅在內都會發生膨脹，但不會像鋰這么明顯。相對于其他材料，鋰的膨脹“幾乎是無限”的。非但如此，這種膨脹還是不均勻的，會造成凹坑和裂縫。這些裂縫會使寶貴的鋰離子從中逸出，形成毛發或苔蘚狀生長。這會導致電池短路，嚴重縮短其使用壽命。
二是鋰陽極在與電解質接觸后具有很高的活性。這會消耗電解質并縮短電池壽命。由此產生的一個附加問題是，當它們接觸時還會發熱。而過熱就會出現燃燒甚至爆炸，因此，這是一個嚴重的安全問題。
“雖然如此困難，我們還是找到解決問題的辦法。”正在崔毅實驗室工作的鄭廣元（音譯）博士說，他是論文的第一作者。物理學家組織網7月28日報道稱，為了解決這些問題，研究人員用碳為鋰陽極制造了一個名為“納米球”的納米保護層。這些納米球保護層從外形上看起來很像蜂窩，可彎曲且化學性質穩定，單個厚度只有20納米。
崔毅說，這種納米球由無形碳制成，不但具有很好的化學穩定性，還有很好的強度和柔性。既能防止其中的鋰與電解質接觸還具備一定的機械強度，能夠承受鋰陽極在充電過程中出現的膨脹現象。
在技術方面，納米球能大幅提高電池的庫侖效率（也叫充放電效率），即在一定的充放電條件下，放電時釋放出來的電荷與充電時充入的電荷百分比。一般情況下，為了達到日常使用需要，電池應能達到99.9%以上的充放電效率。
實驗顯示，未受保護的鋰陽極可以達到96%的充放電效率，在100次充放電循環后，只能達到50%，顯然是不夠的。而斯坦福團隊的新型鋰電極在充放電150次后，充放電效率還能保持在99%。對電池充放電效率而言99%與96%之間的差異是巨大的。
崔毅說：“雖然目前還沒有達到99.9%的目標，但我們正在慢慢接近，并且與先前的技術相比，新設計已經實現了巨大的跨越。隨著研究的進一步深入和新型電解質的采用，我們相信成功就在眼前。”
我們一直在追求強大的電池，并將希望寄托在最有潛力的鋰身上。正當全世界的科學家都在試圖突破鋰電池自身發展的局限時，斯坦福的研究團隊為它穿上一件納米材料的“外衣”。這項富有創意的新嘗試不僅彌補了傳統鋰電池的缺陷，還為提高電池充放效率做出卓越貢獻。隨著小型化設備的日益增多，我們期待這項新技術助力金屬鋰陽極電池風生水起，讓未來電池不僅使用安全，而且更輕、更小、續航力更持久。
