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(yuǎn)開發(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(jié)構(gòu)電極能在裸露的空氣環(huán)境中保持穩(wěn)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《NanoLetters》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(duì)比。在浸入電解質(zhì)之前，三層電極在空氣中是穩(wěn)定的。浸泡后，鋰與石墨反應(yīng)，顏色變黃。

“當(dāng)鋰電池第一次充電時(shí)，它們?cè)诘谝粋€(gè)循環(huán)就損失了高達(dá)5-20%的能量”，楊遠(yuǎn)說(shuō)道，“通過(guò)結(jié)構(gòu)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(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車。”

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(yīng)，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，并附著在電池的負(fù)極上。這個(gè)過(guò)程是不可逆的，會(huì)降低電池的存儲(chǔ)能量。

在現(xiàn)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(duì)于具有高容量的下一代負(fù)極材料，例如硅，損耗則將達(dá)到20-30%，這是將大大降低電池的實(shí)際可用容量。

為了補(bǔ)償這樣的初始損耗，傳統(tǒng)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(huán)境中不穩(wěn)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(yuǎn)開發(fā)的這種三層電極結(jié)構(gòu)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”(即常見的有機(jī)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(dǎo)通。

楊遠(yuǎn)解釋說(shuō)：“這樣我們就可以避免不穩(wěn)定的鋰和鋰化電極間的空氣接觸。采用該結(jié)構(gòu)的電極可以在普通空氣環(huán)境下完成，更容易實(shí)現(xiàn)電池電極的量產(chǎn)。”

三層結(jié)構(gòu)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(yīng)。當(dāng)PMMA被電池電解質(zhì)溶解后，石墨與鋰接觸以補(bǔ)償由于電解質(zhì)的還原而引起的初始損耗。

楊遠(yuǎn)的方法將現(xiàn)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(fù)數(shù)表示由于添加了新的鋰材料，導(dǎo)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(bǔ)償隨后循環(huán)中的容量損失，因此可以進(jìn)一步增強(qiáng)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5-7%的年增長(zhǎng)率，而楊遠(yuǎn)研究成果給進(jìn)一步提高這個(gè)增長(zhǎng)率提供了可行性方案。他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)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(zhēng)取實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(kù)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(bǔ)償技術(shù)必將引起人們極大的興趣。”