可充电电池中的电极在反复经历充电和放电循环时面临的一个大问题是，它们必须在每个循环中膨胀和收缩，有时体积会翻倍，然后再收缩回去。这可能导致其“表皮”层反复脱落并重新形成，不可逆地消耗锂，从而随时间推移降低电池性能。
现在，麻省理工学院与中国清华大学的一组研究人员找到了一种绕过该问题的新方法：制备一种由纳米颗粒构成的电极，这些颗粒具有固体外壳，内部有一个“蛋黄”，它可以反复改变尺寸而不影响外壳。研究团队表示，这一创新可大幅提升循环寿命，并显著提高电池的容量和功率。
这些新发现以铝作为锂离子电池负极（即阳极）的关键材料，相关成果发表于期刊 Nature Communications，论文作者为麻省理工学院教授Ju Li等六人。研究团队称，采用铝内核与二氧化钛外壳的纳米颗粒，已被证明是“高容量负极中的高倍率冠军”。
目前大多数锂离子电池（也是应用最广泛的可充电电池形式）使用由碳的一种形式石墨制成的负极。石墨的储电容量为每克0.35安时（Ah/g）；多年来，研究人员一直在探索其他选项，以便在相同重量下提供更大的储能量。例如，金属锂每克可储存约10倍的能量，但极其危险，可能发生短路甚至起火。硅和锡的容量非常高，但在高充放电速率下，其容量会下降。
铝是一种低成本选择，理论容量为2 Ah/g。但李表示，铝和其他高容量材料在吸收锂达到高容量时“会大幅膨胀，然后在释放锂时收缩”。
铝颗粒的这种膨胀与收缩会产生很大的机械应力，可能导致电接触断开。此外，与铝接触的液态电解质在所需的充放电电压下总会分解，形成一层称为固体电解质界面（SEI）层的“表皮”。若不是体积反复大幅膨胀和收缩导致SEI颗粒脱落，这层表皮本无大碍。因此，此前开发用于锂离子电池的铝电极的尝试均告失败。
这就引出了将受限铝制成内核-外壳结构（蛋黄-壳）纳米颗粒的想法。在纳米技术领域，“核-壳”与“蛋黄-壳”纳米颗粒有很大区别。前者的外壳直接与内核结合，而蛋黄-壳颗粒在两者之间存在空隙，相当于蛋清所在的位置。因此，“蛋黄”材料可以自由膨胀和收缩，对“外壳”的尺寸和稳定性影响甚微。
李说：“我们制作了一层二氧化钛外壳，”它将铝与电池两个电极之间的液态电解质隔开。他表示，该外壳膨胀和收缩的幅度很小，因此外壳上的SEI涂层非常稳定，不会脱落，内部的铝也因此不与电解质直接接触而受到保护。
李表示，研究团队最初并非有意这样设计。李是巴特尔能源联盟核科学与工程教授，同时兼任麻省理工学院材料科学与工程系的联合聘任教授。
“我们是偶然发现这种方法的，这是一次意外的发现，”他说。研究人员所用的铝颗粒直径约50纳米，表面天然覆有一层氧化铝（Al2O3）。“我们需要去除它，因为它不利于导电，”李说。
研究人员最终将氧化铝层转化为二氧化钛（TiO2），当其非常薄时，它是一种更好的电子和锂离子导体。他们将铝粉置于饱和了硫酸氧钛的硫酸中。氧化铝与硫酸反应时会释放出多余的水，这些水再与硫酸氧钛反应，形成厚度为3至4纳米的氢氧化钛固体外壳。令人惊讶的是，这层固体外壳几乎瞬间形成，而如果颗粒在酸中再停留几个小时，铝内核会持续收缩，最终形成直径30纳米的“蛋黄”，这表明小离子能够穿过外壳。
随后对颗粒进行处理，得到最终的铝-二氧化钛（ATO）蛋黄-壳颗粒。经过500次充放电循环测试后，李说，二氧化钛外壳略有变厚，但电极内部保持干净，没有SEI堆积，这证明外壳完全包覆了铝，同时允许锂离子和电子进出。结果是，在正常充电速率下，该电极的容量是石墨（1.2 Ah/g）的三倍以上，李说。在非常快的充电速率下（六分钟即可充满），经过500次循环后，其容量仍为0.66 Ah/g。
李说，这些材料价格低廉，制造方法可能简单且易于规模化。对于需要高功率和高能量密度电池的应用，他表示，“它可能是现有最好的负极材料。”以磷酸铁锂作为正极的全电池测试已经取得成功，表明ATO已相当接近实际应用。
“这些蛋黄-壳颗粒在实验室规模测试中表现出非常出色的性能，”新加坡南洋理工大学化学与生物分子工程系副教授David Lou说，他未参与此项研究。“对我而言，这项工作最吸引人之处在于，其工艺看起来简单且可规模化。”
Lou补充道，电池领域有许多研究采用“复杂的合成工艺和精密设施”，但此类体系“不太可能对实际电池产生影响。……简单的东西才能真正在电池领域产生影响。”
研究团队成员包括：来自北京清华大学的Sa Li、Yu Cheng Zhao和Chang An Wang，以及来自麻省理工学院的Junjie Niu、Kangpyo So和Chao Wang。该研究获得美国国家科学基金会和中国国家自然科学基金的支持。
本文与 MIT News合作发布。刊发本文并不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：David L. Chandler，为MIT News撰稿。
图片：索尼为其Vaio笔记本电脑生产的锂离子电池在其展厅接受拍摄。REUTERS/Kim Kyung-Hoon
