“蛋黃殼”結(jié)構(gòu)示意圖

圖片來源：phys.org

近日，美國斯坦福直線加速器中心和斯坦福大學的研究人員研發(fā)出了一個巧妙的“蛋黃殼”設(shè)計，使得鋰離子電池的存儲能力比當前的商業(yè)技術(shù)高出5倍以上，創(chuàng)造了新的儲能世界紀錄。這種技術(shù)能讓鋰離子電池的陰極在1000次的循環(huán)充放電后，仍保持較高的性能，從而為新一代更輕、更持久電池在便攜式電子產(chǎn)品與電動汽車上的應(yīng)用鋪平了道路。

領(lǐng)導這項研究的是斯坦福大學材料科學與工程系副教授、斯坦福大學材料和能源科學院的成員崔毅，研究小組報告的結(jié)果發(fā)表在1月8日的《自然—通訊》。

鋰離子電池的工作原理是鋰離子在陰極和陽極之間的來回移動。充電時電池強制到達陽極的電子和離子產(chǎn)生能驅(qū)動各種設(shè)備的電勢，而電池放電時離子和電子便移動到電池的陰極。

目前鋰離子電池組通常經(jīng)過500次充放電循環(huán)后，其儲存能量相當于初始容量的80%。

近20年間，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與鋰離子電池的陰極材料相比，硫可以存儲更多的鋰離子，從而儲存更多的能量。但有兩個重要因素阻礙了硫的商業(yè)用途：在放電過程中鋰離子進入硫陰極，會與硫原子結(jié)合產(chǎn)生一種保持陰極重要性能的鋰硫化合物，但是這種化合物會不斷溶解，限制陰極的能量存儲能力;同時，離子的涌入會導致硫陰極擴大約80%。

當科學家們試圖用涂層阻止鋰硫化合物溶解時，陰極會擴大并使涂層開裂，使這一措施失效。

崔毅的創(chuàng)新是將一個硫陰極制成納米顆粒，而每個陰極顆粒直徑只有800納米，大約只相當于人頭發(fā)絲百分之一的直徑。在每一個微小的硫塊周圍圍繞著一圈有著堅硬外殼的多孔鈦氧化物——就像蛋黃與蛋殼。原本屬于蛋清的部分，是一個能夠容納擴大后硫體積的空白區(qū)域。

放電時，鋰離子穿過殼體后被硫綁定，之后會變大占據(jù)空白區(qū)域，但是不會有那么多的物質(zhì)“破殼”而出。同時，這個殼還可以保護鋰硫化合物不被電解質(zhì)溶劑所溶解。

崔毅說：“在經(jīng)過1000次充放電循環(huán)后，硫陰極保留了其能量存儲容量的70%，這是目前所知的世界上性能最高的硫陰極。即使沒有優(yōu)化設(shè)計，這種陰極循環(huán)壽命的表現(xiàn)已具備商業(yè)性能，這是推動未來可充電電池發(fā)展的重要成就。”