全新陽(yáng)極和陰極 全固態(tài)鋰離子電池 科學(xué)家開發(fā)出更強(qiáng)大的電池
基于長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，即使用純鋰金屬作為電池的兩個(gè)電極之一 - 陽(yáng)極，麻省理工學(xué)院和其他地方的工程師的最新研究成果，可以使電池單位重量存儲(chǔ)更多的能量，并且使用壽命更長(zhǎng)。
新的電極概念來(lái)自李巨實(shí)驗(yàn)室，李巨是麻省理工學(xué)院巴特爾能源聯(lián)盟核科學(xué)與工程學(xué)教授以及材料科學(xué)與工程學(xué)教授。論文的主要作者是麻省理工學(xué)院的Chen Yuming和Wang Ziqiang。小組成員還包括麻省理工學(xué)院以及中國(guó)香港、佛羅里達(dá)州和德克薩斯州的研究人員。
李巨1994年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，2000年于MIT獲博士學(xué)位，其后在MIT從事博士后研究，2002-2007年任俄亥俄州立大學(xué)助理教授，2007-2011年任賓夕法尼亞大學(xué)副教授，2011年被MIT核科學(xué)與工程系及材料科學(xué)與工程系聯(lián)合聘為正教授。
該設(shè)計(jì)是開發(fā)安全的全固態(tài)電池概念的一部分，該固態(tài)電池?zé)o需使用通常用作電池兩個(gè)電極之間的電解質(zhì)材料的液體或聚合物凝膠。電解質(zhì)使鋰離子在電池的充電和放電循環(huán)中來(lái)回運(yùn)動(dòng)，而全固態(tài)版本比液體電解質(zhì)更安全，液體電解質(zhì)具有很高的揮發(fā)性，通常是鋰電池爆炸的主要原因。
李巨說(shuō)：“在固態(tài)電池的金屬鋰電極和固體電解質(zhì)方面，有很多工作要做，但這些努力面臨許多問(wèn)題?！?/span>
最大的問(wèn)題之一是，當(dāng)電池充電時(shí)，原子會(huì)在鋰金屬內(nèi)部積聚，從而使其膨脹。然后，隨著電池的使用，金屬在放電過(guò)程中再次收縮。金屬尺寸的反復(fù)變化使固體很難保持恒定的接觸，并且容易導(dǎo)致固體電解質(zhì)破裂或分離。
另一個(gè)問(wèn)題是，可能的固體電解質(zhì)在與高反應(yīng)性鋰金屬接觸時(shí)幾乎都沒(méi)有真正的化學(xué)穩(wěn)定性，它們傾向于隨時(shí)間而降解。
克服這些問(wèn)題的大多數(shù)嘗試都集中在設(shè)計(jì)對(duì)鋰金屬絕對(duì)穩(wěn)定的固體電解質(zhì)材料上，事實(shí)證明這是困難的。相反，李巨和他的團(tuán)隊(duì)采用了一種不尋常的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)利用了另外兩類固體：“混合離子電子導(dǎo)體”（MIEC）和“電子和鋰離子絕緣體”（ELI）,這兩類固體與鋰接觸后在化學(xué)上是絕對(duì)穩(wěn)定的。
研究人員開發(fā)出了呈蜂窩狀的六邊形MIEC管陣列形式的三維納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)部分注入了固態(tài)鋰金屬以形成電池的一個(gè)電極，但每根管內(nèi)都留有多余的空間。當(dāng)鋰在充電過(guò)程中膨脹時(shí)，即使它保持其固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，也會(huì)像液體一樣流入管內(nèi)部的空余空間。完全限制在蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部的這種流動(dòng)可減輕由充電引起的膨脹的壓力，但不會(huì)改變電極的外部尺寸或電極與電解質(zhì)之間的邊界。另一種材料ELI是MIEC壁和固體電解質(zhì)層之間重要的粘合劑。
“我們?cè)O(shè)計(jì)了這種像蜂窩一樣的三維電極結(jié)構(gòu)。”李巨說(shuō)。該結(jié)構(gòu)的每個(gè)管子中的空隙都使鋰“向后蠕變”進(jìn)入管子，“那樣，它不會(huì)積聚應(yīng)力而使固體電解質(zhì)破裂。” 這些管內(nèi)的膨脹和收縮的鋰會(huì)進(jìn)出，就像汽缸內(nèi)的汽車活塞一樣。因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)是按納米級(jí)尺寸建造的（管子的直徑約為100至300納米，高度為數(shù)十微米），所以結(jié)果就像是“一個(gè)擁有100億個(gè)活塞且以鋰金屬為工作液的發(fā)動(dòng)機(jī)?！?/span>
由于這些蜂窩狀結(jié)構(gòu)的壁是由化學(xué)穩(wěn)定的MIEC制成的，因此鋰不會(huì)失去與材料的電接觸。因此，整個(gè)固體電池在其使用周期中可以保持機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性。該團(tuán)隊(duì)已通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這一概念，使測(cè)試設(shè)備經(jīng)過(guò)100次充放電循環(huán)，不會(huì)產(chǎn)生任何固體破裂。
李巨說(shuō)，盡管許多其他小組正在研究所謂的固體電池，但實(shí)際上，大多數(shù)系統(tǒng)在將某些液體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)材料混合的情況下才能更好地工作。他說(shuō)：“但就我們而言，它完全是固體。其中沒(méi)有任何液體或凝膠。”
在相同的存儲(chǔ)容量下，新系統(tǒng)的安全陽(yáng)極的重量可能僅為鋰離子電池中傳統(tǒng)陽(yáng)極的四分之一。如果與其他輕型電極（陰極）的新概念結(jié)合使用，這項(xiàng)工作可能會(huì)大大減少鋰離子電池的總體重量。研究小組希望它能使手機(jī)每三天充電一次，而不會(huì)使手機(jī)變得更重或更笨。
不含鎳和鈷的新陰極
發(fā)表在《自然能源》雜志上的一篇論文中，由李巨領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)小組描述了一個(gè)更輕的陰極的新概念。由麻省理工學(xué)院博士后Zhu Zhi和研究生Yu Daiwei共同撰寫。該材料將減少鎳和鈷的使用，鎳和鈷昂貴且有毒，可用于當(dāng)今的陰極。新的陰極不僅僅依賴于電池循環(huán)中這些過(guò)渡金屬的容量貢獻(xiàn)。取而代之的是，它將更多地依賴于氧氣的氧化還原能力，氧氣更輕，并且更豐富。但在此過(guò)程中，氧離子變得更具流動(dòng)性，這可能導(dǎo)致它們從陰極顆粒中逸出。研究人員使用熔融鹽進(jìn)行高溫表面處理，在富含錳和鋰的金屬氧化物顆粒上形成了保護(hù)性表面層，因此，氧氣的損失量大大減少了。
即使表面層非常薄，在一個(gè)400納米寬的顆粒上只有5到20納米厚，它仍可以為下面的材料提供良好的保護(hù)。李巨說(shuō)，這幾乎完全消除了室溫下使用的電池中氧氣損失的破壞性作用。當(dāng)前版本在給定重量下可存儲(chǔ)的能量至少提高了50％，循環(huán)穩(wěn)定性更好。
到目前為止，該團(tuán)隊(duì)僅制造了小型實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的設(shè)備，但“我希望可以迅速擴(kuò)大規(guī)模。” 所需的材料（大部分為錳）比其他系統(tǒng)使用的鎳或鈷便宜得多，因此這些陰極的成本可低至傳統(tǒng)陰極的五分之一。