哥倫比亞大學材料科學與工程學院的助理教授楊遠開發(fā)了一種提高鋰離子電池能量密度的全新方法。他的三層結(jié)構(gòu)電極能在裸露的空氣環(huán)境中保持穩(wěn)定，因而使得電池電量更加持久、制造成本進一步降低。該研究可以將鋰電池的能量密度提高10-30%，相關(guān)論文于10月初發(fā)表在了《Nano Letters》期刊上。
“當鋰電池第一次充電時，它們在第一個循環(huán)就損失了高達5-20%的能量”，楊遠說道，“通過結(jié)構(gòu)的改進，我們已經(jīng)能夠避免這種損失。同時，我們的方法在增加電池壽命方面有巨大潛力，有望應用于便攜式電子設(shè)備和電動汽車。”
在被生產(chǎn)出來之后的第一次充電期間，鋰電池中的一部分電解質(zhì)會因還原反應，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，并附著在電池的負極上。這個過程是不可逆的，會降低電池的存儲能量。
在現(xiàn)有的電極制造技術(shù)下，這一過程來帶的損失約為10%，但是對于具有高容量的下一代負極材料，例如硅，損耗則將達到20-30％，這是將大大降低電池的實際可用容量。
為了補償這樣的初始損耗，傳統(tǒng)的方法是在電極中加入某些富鋰材料。然而，由于這類材料大多在空氣環(huán)境中不穩(wěn)定，因此必須在完全沒有水分的干燥空氣里制造，故而大幅增加了電池的制造成本。
石墨/PMMA / Li三層電極在電池電解質(zhì)中浸泡24小時之前（左）和之后（右）的對比。
在浸入電解質(zhì)之前，三層電極在空氣中是穩(wěn)定的。浸泡后，鋰與石墨反應，顏色變黃。
楊遠開發(fā)的這種三層電極結(jié)構(gòu)則確保了電極完全可以在普通空氣環(huán)境下完成制造。
首先，他使用了一層“PMMA”（即常見的有機玻璃材料），來隔絕鋰與空氣和水分的接觸；然后在PMMA聚合物上加一層人造石墨或硅納米顆粒等活性材料；最后，他讓PMMA聚合物層溶解在電池電解質(zhì)中，從而將鋰與電極材料導通。
楊遠解釋說：“這樣我們就可以避免不穩(wěn)定的鋰和鋰化電極間的空氣接觸。采用該結(jié)構(gòu)的電極可以在普通空氣環(huán)境下完成，更容易實現(xiàn)電池電極的量產(chǎn)。”
三層結(jié)構(gòu)電極的生產(chǎn)過程： PMMA在初始狀態(tài)下確保鋰不會與空氣中的水分發(fā)生反應。當PMMA被電池電解質(zhì)溶解后，石墨與鋰接觸以補償由于電解質(zhì)的還原而引起的初始損耗。
楊遠的方法將現(xiàn)有石墨電極的損耗從8%降低到0.3%，將硅電極的損耗從13%降低到-15%（ 負數(shù)表示由于添加了新的鋰材料，導致電池的容量教初始狀態(tài)還有了增加）。過量的鋰可以補償隨后循環(huán)中的容量損失，因此可以進一步增強電池的循環(huán)壽命。
鋰離子電池的能量密度（或者叫容量）在過去的25年中一直保持著5-7%的年增長率，而楊遠研究成果給進一步提高這個增長率提供了可行性方案。他的團隊現(xiàn)在正在努力減少PMMA涂層的厚度，以降低其在鋰電池中的比例更低，并爭取實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
耶魯大學的化學助理教授王海良說：“三層電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計十分巧妙，能夠在普通空氣環(huán)境下生產(chǎn)含鋰金屬的電極。電極的初始庫侖效率一直是鋰離子電池行業(yè)的一大難題，因此這種簡單有效的補償技術(shù)必將引起人們極大的興趣。” 
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