鋰離子電池為從手機(jī)到筆記本電腦再到電動汽車的所有設(shè)備供電。世界各地的科學(xué)家一直在尋找新的和改進(jìn)的組件，以為這些應(yīng)用和其他應(yīng)用制造更好的電池。

美國能源部（DOE）的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（ArgonneNationalLaboratory）的科學(xué)家報(bào)告了一種使用低成本材料的鉛和碳為鋰離子電池設(shè)計(jì)的新電極。這項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)的貢獻(xiàn)者還包括西北大學(xué)，布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室和蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究院（UNIST）的科學(xué)家。

阿貢大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程（CSE）的首席作者兼材料科學(xué)家EungjeLee表示：“我們的研究對于設(shè)計(jì)可為混合動力和全電動汽車提供動力的低成本，高性能，可持續(xù)發(fā)展的鋰離子電池具有令人興奮的意義。

鋰離子電池的工作原理是在充電過程中將鋰離子插入陽極，并在放電過程中將其除去。目前的石墨陽極可以進(jìn)行數(shù)千次這樣的充放電循環(huán)，但在儲能能力方面似乎已達(dá)到其極限。

Lee說：“我們決定研究鉛，以替代石墨作為陽極材料。鉛之所以特別具有吸引力，是因?yàn)樗缺阋擞直阋恕４送猓捎阢U酸電池為汽車提供輔助電源的悠久歷史，它擁有完善的供應(yīng)鏈，是世界上回收利用最多的材料之一。在美國，當(dāng)前的鉛回收率是99％。

李補(bǔ)充說：“我們的新陽極可以為目前從事鉛酸電池制造和回收的大型行業(yè)提供新的收入來源。”

該團(tuán)隊(duì)的陽極不是一塊普通的鉛板，而是無數(shù)個(gè)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微觀顆粒：鉛納米顆粒嵌入碳基質(zhì)中，并被氧化鉛薄殼包圍。盡管此結(jié)構(gòu)聽起來很復(fù)雜，但該團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種簡單，低成本的制造方法。

“我們的方法包括將大的氧化鉛顆粒與碳粉混合振蕩數(shù)小時(shí)，直到形成具有所需核-殼結(jié)構(gòu)的微觀顆粒，”該項(xiàng)目的主要研究人員兼CSE的Argonne杰出研究員ChristopherJohnson解釋說。

在超過100個(gè)充放電循環(huán)的實(shí)驗(yàn)室電池中進(jìn)行的測試表明，新的鉛基納米復(fù)合陽極的儲能能力是當(dāng)前石墨陽極的兩倍（對于相同的重量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化）。循環(huán)過程中穩(wěn)定的性能是可能的，因?yàn)樾×降念w粒可緩解應(yīng)力，而碳基質(zhì)提供所需的導(dǎo)電性，并充當(dāng)緩沖劑，可防止循環(huán)過程中破壞體積膨脹。研究小組還發(fā)現(xiàn)，向標(biāo)準(zhǔn)電解液中添加少量的碳酸氟代亞乙酯會顯著提高性能。

研究人員在由DOE科學(xué)使用者設(shè)施辦公室Argona的AdvancedPhotonSource由芝加哥大學(xué)運(yùn)營的GeoSoilEnviro高級輻射源中心（GSECARS）研究了其陽極的充放電機(jī)理。通過同步加速器X射線衍射，他們能夠跟蹤負(fù)極材料在充電和放電時(shí)的相變。這些表征結(jié)果與西北大學(xué)原子與納米級表征中心以及布魯克海文的DOE用戶設(shè)施國家同步加速器光源II所收集的結(jié)果相結(jié)合，揭示了充電和放電時(shí)鉛與鋰離子之間發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，以前是未知的。

Lee說：“這一基本見解可能對理解鉛和硅陽極的反應(yīng)機(jī)理很重要。”

硅陽極是下一代鋰離子電池的另一種低成本，高性能的選擇。

約翰遜說：“我們的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了目前對這種電極材料的理解。”``我們的發(fā)現(xiàn)還為設(shè)計(jì)用于運(yùn)輸和固定儲能的低成本，高性能陽極材料提供了令人興奮的含義，例如用于電網(wǎng)的備用電源。''

該團(tuán)隊(duì)的論文發(fā)表在最近出版的《高級功能材料》上。