哥倫比亞大學材料科學與工程學院的助理教授楊遠開發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境中保持穩定，因而使得電池電量更加持久、制造成本進一步降低。該研究可以將鋰電池的能量密度提高10-30%，相關論文于10月初發表在了《NanoLetters》期刊上。石墨/PMMA/Li三層電極在電池電解質中浸泡24小時之前(左)和之后(右)的對比。在浸入電解質之前，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。圖片來源：哥倫比亞大學

“當鋰電池第一次充電時，它們在第一個循環就損失了高達5-20%的能量”，楊遠說道，“通過結構的改進，我們已經能夠避免這種損失。同時，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汽車。”

在被生產出來之后的第一次充電期間，鋰電池中的一部分電解質會因還原反應，從液態變為固態，并附著在電池的負極上。這個過程是不可逆的，會降低電池的存儲能量。

在現有的電極制造技術下，這一過程來帶的損失約為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，由于這類材料大多在空氣環境中不穩定，因此必須在完全沒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。

楊遠開發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境下完成制造。

首先，他使用了一層“PMMA”(即常見的有機玻璃材料)，來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中，從而將鋰與電極材料導通。

楊遠解釋說：“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境下完成，更容易實現電池電極的量產。”

三層結構電極的生產過程：PMMA在初始狀態下確保鋰不會與空氣中的水分發生反應。當PMMA被電池電解質溶解后，石墨與鋰接觸以補償由于電解質的還原而引起的初始損耗。圖片來源：哥倫比亞大學

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還有了增加)。過量的鋰可以補償隨后循環中的容量損失，因此可以進一步增強電池的循環壽命。

鋰離子電池的能量密度(或者叫容量)在過去的25年中一直保持著5-7%的年增長率，而楊遠研究成果給進一步提高這個增長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，并爭取實現工業化生產。

耶魯大學的化學助理教授王海良說：“三層電極結構的設計十分巧妙，能夠在普通空氣環境下生產含鋰金屬的電極。電極的初始庫侖效率一直是鋰離子電池行業的一大難題，因此這種簡單有效的補償技術必將引起人們極大的興趣。”