美國斯坦福大學開發出穩定金屬鋰陽極電池

它為超輕型、超小型、超大容量電池的出現鋪平了道路。鋰陽極被稱為電池設計和制造業的“圣杯”，因為它可以使電池具有高能量密度，這是科學家幾十年來一直追求的目標。幾天前，斯坦福大學的一組研究人員聲稱，他們制造了一種穩定的鋰金屬陽極電池，這是朝著這個目標邁出的一大步。研究人員表示，這項新研究有望使超輕、超小和超大容量電池成為現實，可穿戴設備、手機和電動汽車都將從中受益。相關論文發表在最新一期的《自然納米技術》上。

領導這項研究的斯坦福大學材料與工程學院教授崔毅表示，在所有可用于制造電池陽極的材料中，鋰最具潛力。它非常輕，具有非常高的能量密度，有望使輕型和小型電池具有更大的容量。然而，鋰陽極的制造非常困難，以至于許多科學家在堅持多年后不得不放棄。

目前，鋰陽極的制造至少需要面臨兩個挑戰：一是鋰在充電過程中的膨脹現象。充電時，鋰離子會聚集并膨脹。包括石墨和硅在內的所有陽極材料都會膨脹，但不像鋰那樣明顯。與其他材料相比，鋰的膨脹“幾乎是無限的”。此外，膨脹不均勻，導致凹坑和裂縫。這些裂縫會讓珍貴的鋰離子從中逸出，形成毛發或苔蘚狀的生長。這將導致電池短路，并嚴重縮短其使用壽命。

第二，鋰陽極在與電解質接觸后具有高活性。這會消耗電解液并縮短電池壽命。由此產生的另一個問題是，它們在接觸時會產生熱量。如果過熱，它會燃燒甚至爆炸。因此，這是一個嚴重的安全問題。

“盡管這很困難，但我們仍然找到了解決問題的辦法。”在崔毅實驗室工作的鄭光遠博士說，他是這篇論文的第一作者。物理學家組織網7月28日報道，為了解決這些問題，研究人員用碳作為鋰陽極，制作了一種名為“納米球”的納米保護層。這些納米球保護層在外觀上看起來像蜂窩，具有柔性和化學穩定性，單個厚度僅為20納米。

崔毅說，這種納米球是由看不見的碳制成的，不僅具有良好的化學穩定性，而且具有良好的強度和柔韌性。它不僅可以防止鋰與電解質接觸，而且具有一定的機械強度，可以承受鋰陽極在充電過程中的膨脹現象。

從技術上講，納米球可以極大地提高電池的庫侖效率（也稱為充放電效率），即在一定的充放電條件下，放電過程中釋放的電荷與充電過程中充電的百分比。在正常情況下，為了滿足日常使用的需要，電池應該能夠達到99.9%以上的充放電效率。

實驗表明，無保護的鋰陽極可以達到96%的充放電效率，經過100次充放電循環后，只能達到50%，這顯然是不夠的。斯坦福團隊的新型鋰電極經過150次充放電后，可以將充放電效率保持在99%。99%和96%之間的差異對于電池的充電和放電效率來說是巨大的。

崔毅說：“雖然目前我們還沒有達到99.9%的目標，但我們正在慢慢接近，與之前的技術相比，新的設計實現了巨大的飛躍。隨著新電解質的進一步研究和采用，我們相信成功指日可待。”

我們一直在追求強大的電池，并將希望寄托在最有潛力的鋰上。就在世界各地的科學家都在努力突破鋰電池發展的局限之際，斯坦福大學的研究團隊為其披上了納米材料的“外衣”。這一富有創意的新嘗試不僅彌補了傳統鋰電池的缺陷，而且為提高電池的充放電效率做出了突出貢獻。隨著小型化設備數量的不斷增加，我們預計這項新技術將有助于鋰金屬陽極電池……

ies蓬勃發展，使未來的電池不僅使用安全，而且更輕、更小、更耐用。它為超輕型、超小型、超大容量電池的出現鋪平了道路。鋰陽極被稱為電池設計和制造業的“圣杯”，因為它可以使電池具有高能量密度，這是科學家幾十年來一直追求的目標。幾天前，斯坦福大學的一組研究人員聲稱，他們制造了一種穩定的鋰金屬陽極電池，這是朝著這個目標邁出的一大步。研究人員表示，這項新研究有望使超輕、超小和超大容量電池成為現實，可穿戴設備、手機和電動汽車都將從中受益。相關論文發表在最新一期的《自然納米技術》上。

領導這項研究的斯坦福大學材料與工程學院教授崔毅表示，在所有可用于制造電池陽極的材料中，鋰最具潛力。它非常輕，具有非常高的能量密度，有望使輕型和小型電池具有更大的容量。然而，鋰陽極的制造非常困難，以至于許多科學家在堅持多年后不得不放棄。

目前，鋰陽極的制造至少需要面臨兩個挑戰：一是鋰在充電過程中的膨脹現象。充電時，鋰離子會聚集并膨脹。包括石墨和硅在內的所有陽極材料都會膨脹，但不像鋰那樣明顯。與其他材料相比，鋰的膨脹“幾乎是無限的”。此外，膨脹不均勻，導致凹坑和裂縫。這些裂縫會讓珍貴的鋰離子從中逸出，形成毛發或苔蘚狀的生長。這將導致電池短路，并嚴重縮短其使用壽命。

第二，鋰陽極在與電解質接觸后具有高活性。這會消耗電解液并縮短電池壽命。由此產生的另一個問題是，它們在接觸時會產生熱量。如果過熱，它會燃燒甚至爆炸。因此，這是一個嚴重的安全問題。

“盡管這很困難，但我們仍然找到了解決問題的辦法。”在崔毅實驗室工作的鄭光遠博士說，他是這篇論文的第一作者。物理學家組織網7月28日報道，為了解決這些問題，研究人員用碳作為鋰陽極，制作了一種名為“納米球”的納米保護層。這些納米球保護層在外觀上看起來像蜂窩，具有柔性和化學穩定性，單個厚度僅為20納米。

崔毅說，這種納米球是由看不見的碳制成的，不僅具有良好的化學穩定性，而且具有良好的強度和柔韌性。它不僅可以防止鋰與電解質接觸，而且具有一定的機械強度，可以承受鋰陽極在充電過程中的膨脹現象。

從技術上講，納米球可以極大地提高電池的庫侖效率（也稱為充放電效率），即在一定的充放電條件下，放電過程中釋放的電荷與充電過程中充電的百分比。在正常情況下，為了滿足日常使用的需要，電池應該能夠達到99.9%以上的充放電效率。

實驗表明，無保護的鋰陽極可以達到96%的充放電效率，經過100次充放電循環后，只能達到50%，這顯然是不夠的。斯坦福團隊的新型鋰電極經過150次充放電后，可以將充放電效率保持在99%。99%和96%之間的差異對于電池的充電和放電效率來說是巨大的。

崔毅說：“雖然目前我們還沒有達到99.9%的目標，但我們正在慢慢接近，與之前的技術相比，新的設計實現了巨大的飛躍。隨著新電解質的進一步研究和采用，我們相信成功指日可待。”

我們一直在追求強大的電池，并將希望寄托在最有潛力的鋰上。就在世界各地的科學家都在努力突破鋰電池發展的局限之際，斯坦福大學的研究團隊為其披上了納米材料的“外衣”。這一富有創意的新嘗試不僅彌補了傳統鋰電池的缺陷，而且為提高電池的充放電效率做出了突出貢獻。隨著我……

隨著小型化設備數量的增加，我們希望這項新技術能幫助鋰金屬陽極電池蓬勃發展，使未來的電池不僅使用安全，而且更輕、更小、更耐用。

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