哥倫比亞大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授楊遠開(kāi)發(fā)了一種提高鋰離子電池能量密度的全新方法。他的三層結構電極能在裸露的空氣環(huán)境中保持穩定，因而使得電池電量更加持久、制造成本進(jìn)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。

　　石墨/PMMA / Li三層電極在電池電解質(zhì)中浸泡24小時(shí)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定的。浸泡后，鋰與石墨反應，顏色變黃。

　　“當鋰電池第一次充電時(shí)，它們在第一個(gè)循環(huán)就損失了高達5-20%的能量”，楊遠說(shuō)道，“通過(guò)結構的改進(jìn)，我們已經(jīng)能夠避免這種損失。同時(shí)，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備和電動(dòng)汽車(chē)。”

　　在被生產(chǎn)出來(lái)之后的第一次充電期間，鋰電池中的一部分電解質(zhì)會(huì )因還原反應，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，并附著(zhù)在電池的負極上。這個(gè)過(guò)程是不可逆的，會(huì )降低電池的存儲能量。

　　在現有的電極制造技術(shù)下，這一過(guò)程來(lái)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(shí)際可用容量。

　　為了補償這樣的初始損耗，傳統的方法是在電極中加入某些富鋰材料。然而，由于這類(lèi)材料大多在空氣環(huán)境中不穩定，因此必須在完全沒(méi)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。

　　楊遠開(kāi)發(fā)的這種三層電極結構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(jiàn)的有機玻璃材料)，來(lái)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(shuō)：“這樣我們就可以避免不穩定的鋰和鋰化電極間的空氣接觸。采用該結構的電極可以在普通空氣環(huán)境下完成，更容易實(shí)現電池電極的量產(chǎn)。”

　　三層結構電極的生產(chǎn)過(guò)程： PMMA在初始狀態(tài)下確保鋰不會(huì )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(guò)量的鋰可以補償隨后循環(huán)中的容量損失，因此可以進(jìn)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(guò)去的25年中一直保持著(zhù)5-7%的年增長(cháng)率，而楊遠研究成果給進(jìn)一步提高這個(gè)增長(cháng)率提供了可行性方案。他的團隊現在正在努力減少PMMA涂層的厚度，以降低其在鋰電池中的比例更低，并爭取實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)。

　　耶魯大學(xué)的化學(xué)助理教授王海良說(shuō)：“三層電極結構的設計十分巧妙，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(jiǎn)單有效的補償技術(shù)必將引起人們極大的興趣。”