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，麻省理工学院和其他地方的工程师的新研究可能会导致电池每磅可以包装更多的电力，并且使用寿命更长。

新的电极概念来自Ju Li实验室，该研究所是Battelle能源联盟核科学与工程学教授和材料科学与工程学教授。麻省理工学院的Yuming Chen和王自强，以及麻省理工学院和香港，佛罗里达州和德克萨斯州的其他11人合着的《自然》杂志中对此进行了描述。

该设计是开发安全的全固态电池概念的一部分，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。电解质使锂离子在电池的充电和放电循环中来回运动，而全固态版本可能比液体电解质更安全，液体电解质具有很高的挥发性，并且是锂电池爆炸的根源。

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，当电池充满电时，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)使固体难以保持恒定的接触，并趋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，并且随着时间的流逝它们倾向于降解。

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类固体，即与锂接触后在化学上绝对稳定的“混合离子电子导体”(MIEC)和“电子和锂离子绝缘体”(ELI)。金属。

研究人员开发出了一种蜂窝状六边形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于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空间使锂“向后蠕变”进入管中，“那样，它不会建立应力以使固体电解质破裂。”这些管中膨胀和收缩的锂向内移动。向外运动，就像汽缸内的汽车发动机活塞一样。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。

李说，尽管许多其他小组正在研究所谓的固态电池，但实际上大多数系统在混合液态电解质和固态电解质材料的情况下都能更好地工作。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)的新概念相结合，这项工作可能会大大减少锂离子电池的总重量。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。但是在此过程中，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。当前的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。