鋰離子電池是各式高科技設(shè)備的核心部件，無論是智能手機(jī)，還是筆記本電腦，甚至蓬勃發(fā)展的電動(dòng)汽車，都缺少不了它。所以多方人士都對通過使用先進(jìn)材料提高鋰電池的性能很感興趣，他們希望使鋰電池更輕、更緊湊、能夠儲(chǔ)存更多的能量。如今，來自得克薩斯州的工程師開發(fā)的一種新的錫鋁合金不僅同時(shí)滿足了這三個(gè)方面，甚至可能更進(jìn)一步，使鋰電池的生產(chǎn)更快、更經(jīng)濟(jì)。

多年來，量產(chǎn)型鋰離子電池使用石墨和銅作為其陽極，也就是電池充電時(shí)用于儲(chǔ)存能量的部件。但同時(shí)，研究人員一直在尋找替代材料以克服上述材料的缺陷，其中就包括生產(chǎn)成本高和存儲(chǔ)容量有限（例如，硅可以存儲(chǔ)10倍于以往的能量，但它同時(shí)造成了另外一些問題）。

現(xiàn)有的陽極制作方法需要把石墨粉末涂覆到銅箔上，這真可謂費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而且，正如新材料的主要發(fā)明者、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的材料科學(xué)家KarlKreder所說，無論就制造工藝還是電池本身而言，這樣做都是效率低下的。

他還告訴媒體：“使用活性材料（石墨）涂在惰性電極（銅）的表面增加了系統(tǒng)的體積和其中惰性材料的質(zhì)量。但如果將電極與活性材料結(jié)合在一起，我們就可以在其中應(yīng)用更高容量的活性材料，并減少用于集電的惰性材料用量。

Kreder和他的團(tuán)隊(duì)通過簡潔的制造方法實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，該方法省去了繁瑣的涂層工藝：其實(shí)當(dāng)錫被鑄造成塊時(shí)，就能夠直接加入到鋁中從而形成合金，然后就可以被機(jī)器軋制（這是一種相對便宜和常見的合金制造工藝）成納米結(jié)構(gòu)的金屬箔。而至關(guān)重要的最后一步，就是將材料中的粒子進(jìn)行濃縮。

Kreder解釋說：“錫鋰合金十分有名，但不幸的是，考慮到電池充放電時(shí)的情況，不要說使用錫箔不行了，就算只使用微米大小的錫顆粒，也會(huì)導(dǎo)致錫在與鋰形成合金時(shí)由于體積膨脹而斷裂。這意味著用大顆粒的錫制造的電池，最多只能堅(jiān)持?jǐn)?shù)十次的充放電循環(huán)就會(huì)報(bào)廢。但如果使用納米級的錫顆粒，合金形成過程中錫顆粒就不會(huì)分裂。”

研究人員將所得到的材料稱為指叉型共晶合金（IdEA）陽極，并宣稱新材料只有傳統(tǒng)陽極材料的四分之一厚和一半重。在測試中，研究者將其應(yīng)用于完整的小型鋰離子電池，然后對其進(jìn)行充放電以測量性能。測試發(fā)現(xiàn)，新材料的電荷儲(chǔ)存能力是典型的銅--石墨陽極的兩倍。

Kreder還說：“新材料出類拔萃的原因是：其中一個(gè)元素是活性的，也就是錫，另一個(gè)是惰性的，也就是鋁。鋁能產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電的基體，而錫就被約束在其中。當(dāng)電池充放電時(shí)，錫會(huì)與鋁形成合金或解除合金態(tài)，這時(shí)鋁就能提供結(jié)構(gòu)支架和良好的導(dǎo)電功能。“

對智能手機(jī)、汽車、筆記本電腦和無數(shù)其他設(shè)備制造商來說，一個(gè)更高效電池中的更緊湊的陽極可是至關(guān)重要的。因?yàn)檫@將使制造商們能在降低制造成本的同時(shí)提升產(chǎn)品質(zhì)量。研究人員相信他們嶄新的改進(jìn)型鋰離子電池已經(jīng)完成了早期的概念驗(yàn)證。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人之一，德州材料研究所所長ArumugamManthiram說：“能夠開發(fā)出一種廉價(jià)、可擴(kuò)展的納米電極制造工藝真令人興奮。而且我們的研究結(jié)果表明，這種材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)進(jìn)軍商業(yè)鋰離子電池市場所需的性能指標(biāo)。

我們期待未來的某一天我們的電子設(shè)備能夠用到更便宜更高效的鋰電池，我們不僅不再需要為頻頻沒電的電子設(shè)備的發(fā)愁，或許還可以讓我們的電動(dòng)汽車擁有更加強(qiáng)大的續(xù)航能力。

該研究發(fā)表在《ACSEnergyLetters》雜志上。