全球的工程师们一直在竞相设计更小，更便宜和更高效的可充电电池，以满足从手持设备到电动汽车等各种电源的存储需求。
在“ 自然纳米技术 ”杂志上发表的一篇论文中，斯坦福大学的研究人员报告说，他们已经朝着完成电池设计师几十年来一直试图做的事情迈出了一大步 - 设计了一个纯锂阳极。
所有电池都有三个基本组件：用于提供电子的电解质，用于释放这些电子的阳极，以及用于接收电子的阴极。
今天，我们说我们有锂电池，但这只是部分正确。我们有锂离子电池。锂在电解质中，但不在阳极中。纯锂阳极将大大提高电池效率。
“在阳极中可能使用的所有材料中，锂具有最大的潜力。有人称之为圣杯，”材料科学与工程教授，研究团队负责人易翠说。“它非常轻巧，并且具有最高的能量密度。每单位体积和重量可以获得更大的功率，从而可以获得更轻，更小的电池和更大的功率。”
但工程师们长期以来一直尝试并未能达到这个圣杯。
“锂的主要挑战使其在阳极上的使用变得困难。许多工程师放弃了搜索，但我们找到了一种方法来保护锂电池免受长期困扰它的问题，”广元铮说，博士候选人在崔的实验室和论文的第一作者。
除了郑，研究团队还包括前美国能源部长和诺贝尔奖获得者朱棣文，他最近在斯坦福大学恢复了他的教授职位。
“实际上，如果我们能够将电池的容量提高到今天的四倍，这将是令人兴奋的。你可能能够拥有电池续航时间的两倍或三倍的手机或一部300的电动汽车英里的成本仅为25,000美元 - 与内燃机达到40英里/加仑相比具有竞争力，“楚说。
工程挑战
在论文中，作者解释了他们如何克服锂所带来的问题。
大多数锂离子电池，就像你在智能手机或混合动力汽车中发现的那样，工作方式类似。关键部件包括阳极，电子流出并进入耗电装置的负极，以及阴极，一旦电子通过电路，电子就会重新进入电池。将它们分开是电解质，载有带正电荷的锂离子的固体或液体，其在阳极和阴极之间传播。
在充电期间，电解质中带正电的锂离子被吸引到带负电的阳极，并且锂积聚在阳极上。今天，锂离子电池中的阳极实际上由石墨或硅制成。
工程师希望使用锂作为阳极，但到目前为止他们无法这样做。这是因为锂离子在充电过程中聚集在阳极上时会膨胀。
所有阳极材料，包括石墨和硅，在充电过程中都会稍微膨胀，但不像锂那样。研究人员表示，相对于其他材料，锂在充电过程中的膨胀“几乎是无限的”。它的膨胀也是不均匀的，在外表面形成凹坑和裂缝，就像正在膨胀的气球外部的涂料一样。
在阳极表面上产生的裂缝允许贵重的锂离子逸出，形成毛发状或苔藓状的生长，称为树突。反过来，树突使电池短路并缩短其寿命。
防止这种积聚是将锂用于电池阳极的第一个挑战。
第二个工程挑战是锂阳极与电解质高度化学反应。它会耗尽电解液并缩短电池寿命。
另一个问题是阳极和电解质在接触时会产生热量。锂电池，包括当今使用的锂电池，可能会过热到火点，甚至爆炸，因此是一个严重的安全问题。特斯拉汽车和波音梦想飞机最近的电池火灾是锂离子电池挑战的突出例子。
建立纳米球
为了解决这些问题，斯坦福大学的研究人员在其锂阳极顶部建立了一个互连碳罩的保护层。该层是团队称之为纳米球的层
斯坦福大学的纳米球层类似于蜂窝状：它创造了一种柔韧，均匀且无反应性的薄膜，可以保护不稳定的锂免受使其成为挑战的弊端。碳纳米球壁仅20纳米厚。它需要大约5,000层叠在另一层之上，以等于单根人发的宽度。
“用于锂金属阳极的理想保护层需要具有化学稳定性，以防止与电解质发生化学反应，并且机械强度高，能够承受锂在充电过程中的膨胀，”崔说。
斯坦福纳米球层就是这样。它由无定形碳制成，它具有化学稳定性，同时又坚固且柔韧，以便随着锂在电池正常充电 - 放电循环期间膨胀和收缩而自由地上下移动。
理想的范围内
在技术方面，纳米球改善了电池的库仑效率 - 电池使用时可从阳极提取的锂量与充电期间放入的量之比。这一给予和接受过程的一轮称为循环。
通常，为了商业上可行，电池必须具有99.9%或更高的库仑效率，理想地在尽可能多的循环中。以前的未受保护的锂金属阳极的效率大约为96%，仅在100个周期内降至不到50% - 几乎不够好。斯坦福大学的新型锂金属阳极即使在150次循环时也能达到99%的效率。
“从电池角度来看，99%到96%之间的差异是巨大的。因此，虽然我们还没有达到99.9%的门槛，但我们需要的是，我们已经接近了，这比以往任何时候都有了显着改善。设计，“崔说。“通过一些额外的工程和新电解质，我们相信我们可以实现一种实用且稳定的锂金属阳极，可为下一代可充电电池供电。
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