新的电极设计可能导致更强大的电池

基于长期追求的目标，即使用纯锂金属作为电池的两个电极之一，即阳极，基于麻省理工学院和其他地方的工程师的最新研究成果，可以使电池每磅包装更多的能量，并且使用寿命更长。

新的电极概念来自Ju Li实验室，Battelle能源联盟核科学与工程学教授以及材料科学与工程学教授。今天在《自然》杂志上对此进行了描述，该论文由MIT的Chen Yuming Chen和Wang Ziqiang以及在MIT以及香港，佛罗里达和德克萨斯州的11个人合着

该设计是开发安全的全固态电池的概念的一部分，该固态电池无需使用通常用作电池两个电极之间的电解质材料的液体或聚合物凝胶。电解质允许锂离子在电池的充电和放电循环中来回运动，而全固态电解质可能比液态电解质更安全，液态电解质具有高挥发性，是锂电池爆炸的源头。

李说：“具有锂金属电极和固体电解质的固态电池已经有很多工作，”但这些努力面临许多问题。

最大的问题之一是，当电池充电时，原子会在锂金属内部积聚，从而使其膨胀。然后，随着电池的使用，金属在放电过程中再次收缩。金属尺寸的这些反复变化（有点像吸入和呼出过程一样）使固体很难保持恒定接触，并易于导致固体电解质破裂或分离。

另一个问题是，所提出的固体电解质在与高反应性锂金属接触时都没有真正的化学稳定性，并且它们倾向于随时间而降解。

克服这些问题的大多数尝试都集中在设计对锂金属绝对稳定的固体电解质材料上，事实证明这是困难的。相反，Li和他的团队采用了一种不寻常的设计，该设计利用了另外两种固体，即与锂接触后化学性质绝对稳定的“混合离子电子导体”（MIEC）和“电子和锂离子绝缘体”（ELI）。金属。

研究人员开发出了呈蜂窝状的六边形MIEC管阵列形式的三维纳米结构，该结构部分注入了固态锂金属以形成电池的一个电极，但每根管内都留有多余的空间。当锂在充电过程中膨胀时，即使它保持其固态晶体结构，它也像液体一样流入管内部的空白空间。完全限制在蜂窝结构内部的这种流动可减轻由充电引起的膨胀的压力，但不会改变电极的外部尺寸或电极与电解质之间的边界。另一种材料ELI是MIEC壁和固体电解质层之间的关键机械粘合剂。

“我们设计了这种结构，使我们可以像蜂窝一样提供三维电极，”李说。该结构的每个管中的空隙都使锂“向后蠕变”进入管中，“那样，它不会产生应力使固体电解质破裂。” 这些管内的膨胀和收缩的锂会进出，就像汽缸内的汽车活塞一样。因为这些结构是按纳米级尺寸建造的（管子的直径约为100至300纳米，高度为数十微米），所以结果就像是“具有100亿个活塞的发动机，以锂金属作为工作流体”说。

李说，由于这些蜂窝状结构的壁是由化学稳定的MIEC制成的，因此锂不会失去与材料的电接触。因此，整个固体电池在其使用周期中可以保持机械和化学稳定性。该团队已通过实验证明了这一概念，使测试设备经过100次充放电循环，不会产生任何固体破裂。

在内径为100nm的碳管中进行可逆的锂金属镀覆和剥离。由研究人员提供。

李说，尽管许多其他小组正在研究所谓的固体电池，但实际上大多数系统在将某些液体电解质与固体电解质材料混合使用时都能更好地工作。他说：“但就我们而言，这确实很坚实。没有任何液体或凝胶。”

在相同的存储容量下，新系统可能会导致安全阳极的重量仅为锂离子电池中传统阳极的四分之一。如果与其他轻型电极（阴极）的新概念结合使用，这项工作可能会大大减少锂离子电池的总体重量。例如，研究小组希望它能使手机每三天充电一次，而不会使手机变得更重或更笨。

在上个月发表在《自然能源》杂志上的一篇论文中，由李书福领导的另一个小组描述了一个更轻的阴极的新概念。由麻省理工学院博士后朱Zhi和研究生于代伟共同撰写。该材料将减少镍和钴的使用，镍和钴昂贵且有毒，可用于当今的阴极。新的阴极不仅仅依赖于电池循环中这些过渡金属的容量贡献。取而代之的是，它将更多地依赖于氧气的氧化还原能力，氧气的氧化还原能力更轻，更丰富。但在此过程中，氧离子变得更具流动性，这可能导致它们从阴极颗粒中逸出。研究人员使用熔融盐进行高温表面处理，从而在富含锰和锂的金属氧化物颗粒上形成了保护性表面层，从而大大减少了氧气损失量。

即使表面层非常薄，在一个400纳米宽的颗粒上只有5到20纳米厚，它仍可以为下面的材料提供良好的保护。李说，针对室温下使用的电池中氧气损失的破坏性作用，这几乎就像是免疫。当前版本在给定重量下可存储的能量至少提高了50％，循环稳定性更好。

到目前为止，该团队仅制造了小型实验室规模的设备，但“我希望可以迅速扩大规模”。所需的材料（大部分为锰）比其他系统使用的镍或钴便宜得多，因此这些阴极的成本可低至传统阴极的五分之一。

研究团队包括麻省理工学院，香港理工大学，中佛罗里达大学，德克萨斯大学奥斯汀分校和纽约阿普顿布鲁克布鲁克国家实验室的研究人员。这项工作得到了美国国家科学基金会的支持。