美開發(fā)出穩(wěn)定的金屬鋰陽極電池

時間:2014-07-30 09:58來源:cbcu 作者:日 光
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    鋰陽極由于能使電池具備極高的能量密度,被譽為電池設(shè)計制造業(yè)的“圣杯”,幾十年來,一直都是科學(xué)家們孜孜以求的目標。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,可穿戴設(shè)備、手機以及電動汽車或都將因此受益。美開發(fā)出穩(wěn)定的金屬鋰陽極電池,為超輕超小超大容量電池的出現(xiàn)鋪平了道路。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(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(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械強度,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,為了達到日常使用需要,電池應(yīng)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(huán)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(shù)相比,新設(shè)計已經(jīng)實現(xiàn)了巨大的跨越。隨著研究的進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(xué)家都在試圖突破鋰電池自身發(fā)展的局限時,斯坦福的研究團隊為它穿上一件納米材料的“外衣”。這項富有創(chuàng)意的新嘗試不僅彌補了傳統(tǒng)鋰電池的缺陷,還為提高電池充放效率做出卓越貢獻。隨著小型化設(shè)備的日益增多,我們期待這項新技術(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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