鋰陽極由于能使電池具備極高的能量密度，被譽(yù)為電池設(shè)計(jì)制造業(yè)的“圣杯”，幾十年來，一直都是科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。日前，美國斯坦福大學(xué)的一組研究人員宣稱已經(jīng)制造出了穩(wěn)定的金屬鋰陽極電池，向這一目標(biāo)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(xiàn)實(shí)，可穿戴設(shè)備、手機(jī)以及電動汽車或都將因此受益。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期的《自然·納米技術(shù)》雜志上。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的斯坦福大學(xué)材料科與工程學(xué)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(zhì)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(xué)家在堅(jiān)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(zhàn)：一是鋰在充電時出現(xiàn)的膨脹現(xiàn)象。在充電時，鋰離子會聚集起來發(fā)生膨脹。所有的陽極材料，包括石墨和硅在內(nèi)都會發(fā)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(fā)或苔蘚狀生長。這會導(dǎo)致電池短路，嚴(yán)重縮短其使用壽命。
二是鋰陽極在與電解質(zhì)接觸后具有很高的活性。這會消耗電解質(zhì)并縮短電池壽命。由此產(chǎn)生的一個附加問題是，當(dāng)它們接觸時還會發(fā)熱。而過熱就會出現(xiàn)燃燒甚至爆炸，因此，這是一個嚴(yán)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(shí)驗(yàn)室工作的鄭廣元（音譯）博士說，他是論文的第一作者。物理學(xué)家組織網(wǎng)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(hù)層。這些納米球保護(hù)層從外形上看起來很像蜂窩，可彎曲且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(xué)穩(wěn)定性，還有很好的強(qiáng)度和柔性。既能防止其中的鋰與電解質(zhì)接觸還具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受鋰陽極在充電過程中出現(xiàn)的膨脹現(xiàn)象。
在技術(shù)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(dá)到日常使用需要，電池應(yīng)能達(dá)到99.9%以上的充放電效率。
實(shí)驗(yàn)顯示，未受保護(hù)的鋰陽極可以達(dá)到96%的充放電效率，在100次充放電循環(huán)后，只能達(dá)到50%，顯然是不夠的。而斯坦福團(tuán)隊(duì)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(dá)到99.9%的目標(biāo)，但我們正在慢慢接近，并且與先前的技術(shù)相比，新設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了巨大的跨越。隨著研究的進(jìn)一步深入和新型電解質(zhì)的采用，我們相信成功就在眼前。”
我們一直在追求強(qiáng)大的電池，并將希望寄托在最有潛力的鋰身上。正當(dāng)全世界的科學(xué)家都在試圖突破鋰電池自身發(fā)展的局限時，斯坦福的研究團(tuán)隊(duì)為它穿上一件納米材料的“外衣”。這項(xiàng)富有創(chuàng)意的新嘗試不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鋰電池的缺陷，還為提高電池充放效率做出卓越貢獻(xiàn)。隨著小型化設(shè)備的日益增多，我們期待這項(xiàng)新技術(shù)助力金屬鋰陽極電池風(fēng)生水起，讓未來電池不僅使用安全，而且更輕、更小、續(xù)航力更持久。
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