麻省理工学院的一个团队设计出一种锂金属负极，有望提升未来电池的使用寿命和能量密度。
麻省理工学院及其他机构工程师的新研究可能带来单位重量能量更高、寿命更长的电池，其基础是人们长期追求的目标：将纯锂金属用作电池两个电极之一，即负极（阳极）。
这一新型电极概念源自李巨（Ju Li）的实验室，他是Battelle能源联盟核科学与工程教授，同时也是材料科学与工程教授。该成果今天发表在期刊《Nature》上，论文由麻省理工学院的Yuming Chen和Ziqiang Wang共同撰写，另有11位来自麻省理工学院以及香港、佛罗里达州和得克萨斯州的合作者。
该设计属于开发安全全固态电池概念的一部分，摒弃了通常用作电池两个电极之间电解质材料的液体或聚合物凝胶。电解质使锂离子在电池充放电循环中往复移动，而全固态版本可能比液态电解质更安全，因为液态电解质挥发性高，曾是锂电池爆炸的原因。
“关于固态电池，已有大量研究，涉及锂金属电极和固体电解质，”李巨说，“但这些努力面临若干问题。”
最大的问题之一是，电池充电时，原子在锂金属内部聚集，使其膨胀。电池使用放电时，金属随之再次收缩。金属尺寸这种反复变化，有点类似吸气和呼气的过程，使固体难以保持持续接触，并往往导致固体电解质破裂或脱离。
另一个问题是，所提出的固体电解质中，没有一种在与活性极高的锂金属接触时真正具有化学稳定性，它们往往会随时间退化。
大多数克服这些问题的尝试都集中于设计对锂金属绝对稳定的固体电解质材料，但这被证明是困难的。相反，李巨及其团队采用了一种不同寻常的设计，利用另外两类固体——“混合离子-电子导体”（MIEC）和“电子与锂离子绝缘体”（ELI），二者与锂金属接触时均具有绝对的化学稳定性。
研究人员开发了一种三维纳米结构，呈蜂窝状六边形MIEC管阵列形式，部分填充固态锂金属以构成电池的一个电极，但每根管内部都留有额外空间。锂在充电过程中膨胀时，会流入管内部的空隙，尽管保持固体晶体结构，却像液体一样流动。这种完全限制在蜂窝结构内部的流动，缓解了充电引起的膨胀压力，同时不改变电极的外部尺寸，也不改变电极与电解质之间的边界。另一种材料ELI则在MIEC壁与固体电解质层之间起关键的机械粘结作用。
“我们设计了这种结构，使我们获得类似蜂窝的三维电极，”李巨说。结构中每根管内的空隙使锂能够“向后蠕动”进入管内，“这样一来，它就不会积累应力而使固体电解质开裂。”这些管内膨胀和收缩的锂会进进出出地移动，有点像汽车发动机气缸中的活塞。由于这些结构是在纳米尺度上制造的（管直径约为100至300纳米，高度为数十微米），其效果如同“一台拥有100亿个活塞、以锂金属为工作流体的发动机”，李巨说。
李巨说，由于这些蜂窝状结构的壁由化学稳定的MIEC制成，锂与该材料之间永远不会失去电接触。因此，整个固态电池在经历使用循环时，可以保持机械和化学稳定。该团队已通过实验证明了这一概念，让测试装置经历100次充放电循环，未出现任何固体破裂。
李巨说，尽管许多其他团队也在研究他们所称的固态电池，但这些系统中大多数实际上是在固体电解质材料中混入一些液态电解质时性能更好。“但在我们的案例中，”他说，“它确实是全固态的。其中不含任何形式的液体或凝胶。”
新系统有望带来安全的负极，在储存容量相同的情况下，其重量仅为锂离子电池中常规对应负极的四分之一。若与另一电极（正极）的轻量化新概念相结合，这项工作可能使锂离子电池的整体重量大幅降低。例如，该团队希望它能使手机只需每三天充电一次，同时不会使手机变得更重或更笨重。
李巨领导的另一团队上个月在期刊《Nature Energy》上发表了一篇论文，描述了一种更轻正极的新概念，论文由麻省理工学院博士后朱志（Zhi Zhu）和研究生Daiwei Yu共同撰写。该材料将减少镍和钴的使用，这两种金属昂贵且有毒，目前用于正极。新正极在电池循环中不再仅依赖这些过渡金属的容量贡献，而是将更多依赖氧的氧化还原容量，氧更轻且更丰富。但在此过程中，氧离子变得更易移动，这可能导致其从正极颗粒中逸出。研究人员采用熔融盐高温表面处理，在富锰和富锂金属氧化物颗粒上形成保护性表面层，从而使氧损失量大幅减少。
尽管表面层非常薄，在400纳米宽的颗粒上仅有5至20纳米厚，但它为底层材料提供了良好保护。李巨说：“这几乎就像免疫接种”，可抵御室温下使用的电池中氧损失带来的破坏性影响。目前版本在给定重量下可储存的能量至少提高50%，且循环稳定性更好。
该团队迄今仅制造了小型实验室规模的装置，但李巨表示：“我预计这可以非常迅速地放大规模。”所需材料主要是锰，其成本明显低于其他系统所用的镍或钴，因此这些正极的成本可能低至常规版本的五分之一。
研究团队成员包括来自麻省理工学院、香港理工大学、中佛罗里达大学、得克萨斯大学奥斯汀分校以及位于纽约州阿普顿的布鲁克海文国家实验室的研究人员。该研究获美国国家科学基金会支持。
