麻省理工學(xué)院的新研究可能會(huì)使每磅電池的能量更高，壽命延長(zhǎng)。麻省理工學(xué)院Yuming Chen和Ziqiang Wang共同合著的一篇新論文探討了使用純鋰作為電池陽(yáng)極的想法。
這種設(shè)計(jì)是開發(fā)安全固態(tài)電池的概念的一部分，通過(guò)在電池的兩個(gè)電極之間省去通常用作電解質(zhì)材料的液體或聚合物凝膠。固態(tài)電解質(zhì)比揮發(fā)性液體電解質(zhì)更安全，揮發(fā)性液體電解質(zhì)在極端條件下會(huì)爆炸。
雖然許多其他小組正在研究他們稱之為固體電池的東西，但Li說(shuō)，這些系統(tǒng)中的大部分實(shí)際上在一些液體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)材料混合的情況下工作得更好?！霸谖覀兊睦又校磺卸际菍?shí)實(shí)在在的，”他說(shuō)。"里面沒(méi)有任何液體或凝膠。"
“已經(jīng)在固態(tài)電池上做了很多工作，包括金屬鋰電極和固體電解質(zhì)，”Li說(shuō)，但這些成果面臨許多的問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題是沒(méi)有一種固態(tài)電解質(zhì)在與極易起化學(xué)反應(yīng)的金屬鋰接觸時(shí)有穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)，所以它們往往會(huì)隨著時(shí)間的推移而降解。大多數(shù)克服這一問(wèn)題的嘗試都集中在設(shè)計(jì)對(duì)鋰金屬穩(wěn)定的固體電解質(zhì)材料上，然而鋰金屬是很難做到的。然而，Li和他的團(tuán)隊(duì)采用了一個(gè)不尋常的辦法，利用兩個(gè)附加的固體，“混合離子電子導(dǎo)體”（MIEC）和“電子和離子的絕緣體”（ELI），工程師們都說(shuō)這兩個(gè)在與金屬鋰接觸時(shí)是穩(wěn)定的。
內(nèi)徑為100納米的碳納米管中的可逆鋰金屬電鍍和剝離
另一個(gè)問(wèn)題是，鋰陽(yáng)極在每次充電放電循環(huán)中膨脹和收縮，最終會(huì)引起固體電解質(zhì)的斷裂或分離。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究員們開發(fā)了一個(gè)三維納米構(gòu)造，形態(tài)呈蜂窩狀的六邊形MIEC管陣列，部分注入固體鋰金屬形成電池的一個(gè)電極，但每個(gè)管內(nèi)留有額外空間。這個(gè)蜂窩結(jié)構(gòu)允許鋰在不改變電極的外部尺寸或電極與電解液之間的邊界的情況下膨脹和收縮。另外一種材料，ELI在MIEC墻和固態(tài)電解質(zhì)之間作為機(jī)械粘合劑。
Li說(shuō)，蜂窩狀結(jié)構(gòu)是通過(guò)化學(xué)穩(wěn)定的MIEC制成的，鋰永遠(yuǎn)不會(huì)失去與材料的電接觸。因此，電池在循環(huán)過(guò)程中可以保持機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性。團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證實(shí)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將一個(gè)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了100次充放電循環(huán)，沒(méi)有任何固體破裂。
在儲(chǔ)存容量不變的情況下，新的系統(tǒng)可以生產(chǎn)出重量是傳統(tǒng)陽(yáng)極的四分之一的陽(yáng)極。加上新型設(shè)計(jì)的輕薄的負(fù)極，這基本上可以大大減少電池的重量。例如，團(tuán)隊(duì)希望手機(jī)可以在不增加重量的情況下三天充一次電。
到目前為止，團(tuán)隊(duì)只建造出了一個(gè)小型設(shè)備實(shí)驗(yàn)室，但是Li認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)可以很快得到推廣。所需的材料，主要是錳，比其他系統(tǒng)使用的鎳和鈷要便宜非常多，所以這些陰極的成本可能只有現(xiàn)有陰極的五分之一。
