锂离子电池随处可见，包括智能手机，笔记本电脑，一系列其他消费电子产品以及最新的电动汽车。虽然它们很好，但它们可能会好得多，特别是在降低成本和扩大电动汽车范围方面。要做到这一点，电池需要储存更多的能量。
阳极是用于在锂离子电池中存储能量的关键部件。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家团队设计了一种新型阳极，可以吸收目前设计锂电池的8倍，并在经过一年多的测试后保持了极大的能量容量。和数百次充放电循环。
秘密是定制的聚合物，导电并与储锂硅颗粒紧密结合，即使它们在充电期间膨胀至其体积的三倍以上，然后在放电期间再次收缩。新阳极采用低成本材料制成，与标准锂电池制造技术兼容。该研究小组在Advanced Materials上报告了它的发现，现在可以在线获得。
大容量扩展
“当电极吸收锂时，高容量锂离子阳极材料总是面临体积变化的挑战 - 膨胀 - ”伯克利实验室环境能源技术部(EETD)的高刘说，他是BATT计划的成员(电池)由实验室管理并由DOE的车辆技术办公室支持的高级交通技术。
刘说：“今天的大多数锂离子电池都有石墨制成的阳极，当石墨烯层之间的离子容纳时，它只能适度导电和膨胀。硅可以存储10倍以上 - 它具有迄今为止最高的容量锂离子存储材料 - 但充满电后其体积膨胀至三倍以上。“
这种膨胀会迅速破坏阳极中的电触点，因此研究人员集中精力寻找其他使用硅的方法，同时保持阳极导电性。已经提出了许多方法; 有些是非常昂贵的。
一种较便宜的方法是在柔性聚合物粘合剂中混合硅颗粒，在混合物中加入炭黑以导电。不幸的是，当硅颗粒获得并释放锂离子时，硅颗粒的反复膨胀和收缩最终会推掉添加的碳颗粒。我们需要的是一种灵活的粘合剂，它可以自行导电，不需要添加碳。
“导电聚合物并不是一个新概念，”刘说，“但之前的努力并没有奏效，因为它们没有考虑锂离子电池阳极侧的严重还原环境，这使得大多数导电聚合物绝缘子。“
一种这样的实验聚合物，称为PAN(聚苯胺)，具有正电荷; 它最初是作为导体但很快失去导电性。理想的导电聚合物应该容易获得电子，使其在阳极的还原环境中导电。
有希望的聚合物的特征是具有低值的状态称为“最低未占分子轨道”，其中电子可以容易地驻留和自由移动。理想地，在初始充电过程中将从锂原子获得电子。刘和他的博士后研究员Shidi Xun在EETD设计了一系列这样的基于聚芴的导电聚合物 - 简称PFs。
当刘与伯克利实验室先进光源(ALS)的万里扬讨论PF的优异性能时，出现了一种科学合作来理解新材料。Yang建议使用ALS beamline 8.0.1对Liu和Xun的候选聚合物进行软X射线吸收光谱测定，以确定它们的关键电子性质。
杨说，“高想知道离子和电子在哪里以及它们在哪里移动。软X射线光谱仪能够提供这种关键信息。”
与PAN的电子结构相比，PF所获得的吸收光谱立即脱颖而出。含有碳 - 氧官能团(羰基)的PF中的差异最大。
“我们有实验证据，”杨说，“但要理解我们所看到的，以及它与聚合物电导率的关系，我们需要从第一原理开始的理论解释。” 他请伯克利实验室材料科学部(MSD)的Wang-Wang Wang加入研究合作。
Wang和他的博士后研究员Nenad Vukmirovic 在实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)从头计算了有希望的聚合物。Wang说，“计算结果告诉你究竟发生了什么 - 包括锂离子如何附着在聚合物上，以及为什么添加的羰基官能团改善了这一过程。令人印象深刻的是，这些计算与实验非常匹配。”
模拟确实揭示了包含羰基官能团的PF类型“真正发生了什么”，并说明了系统运作良好的原因。锂离子首先与聚合物相互作用，然后与硅颗粒结合。当锂原子通过羰基与聚合物结合时，它将电子提供给聚合物 - 这种掺杂过程可显着提高聚合物的电导率，促进电子和离子向硅颗粒的传输。
骑自行车取得成功
在EETD进行了一个材料合成循环，在ALS进行了实验分析，在MSD进行了理论模拟，积极的结果引发了一个新的改进循环。几乎与其电性能一样重要的是聚合物的物理性质，刘现在添加了另一个官能团，产生的聚合物在硅颗粒获得或失去锂离子并经历反复的体积变化时能够紧密粘附在硅颗粒上。
在美国国家电子显微镜中心(NCEM)的扫描电子显微镜和透射电子显微镜，显示在32次充电 - 放电循环后的阳极，证实改性聚合物在整个电池操作中强烈粘附，即使硅颗粒反复膨胀和收缩。ALS的测试和模拟证实，增加的机械性能不会影响聚合物的优异电性能。
EETD先进能源技术部项目经理Vince Battaglia说：“如果没有我们在ALS和MSD的合作伙伴的意见，可以修改的内容和下一代聚合物中不应修改的内容就不会很明显。”
“这项成就提供了一种罕见的科学展示，将先进的合成，表征和模拟工具结合在一种新颖的材料开发方法中，”科学支持和科学支持小组负责人ALS部副主任Zahid Hussain说。“循环方法可以导致发现新的实用材料，并对其性质有基本的了解。”
阳极滤饼上的结冰是新型PF基阳极不仅优越而且经济。“使用商业硅颗粒，不含任何导电添加剂，我们的复合阳极目前表现最佳，”高柳说。“整个制造过程成本低，与现有的制造技术兼容。聚合物的商业价值已经得到了各大公司的认可，其可能的应用范围超出了硅阳极。”
阳极是锂离子电池技术的关键组成部分，但远非唯一的挑战。研究合作已经推动下一步，研究其他电池组件，包括阴极。
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