科學家又出妙計：三層電極鋰電池

材料牛注：鋰電池出廠后第一次充電時，會產生初始損耗，不可逆轉地降低電池的存儲能量。真是讓學術界煩惱，生產商頭疼。近日新開發出的三層電極鋰電池可謂是福音！

哥倫比亞大學材料科學與工程學院的助理教授Yuan Yang開發了一種提高鋰離子電池能量密度（即容量）的新方法。他開發的三層結構電極能在空氣環境中保持穩定，因而使得電池續航時間大大延長、制造成本進一步降低。這項研究有望將鋰電池的能量密度提高10-30%，相關論文已發表在了Nano Letters上。

“當鋰電池第一次充電時，在第一個循環中會損失掉高達5-20%的能量”，Yang解釋道，“通過結構的改進，我們已經能夠避免這種損失。同時，我們的方法在增加電池壽命方面有巨大潛力，有望應用于便攜式電子設備和電動汽車。”

?PMMA在初始狀態下確保鋰不會與空氣中的水分發生反應。當PMMA被電池電解質溶解后，石墨與鋰接觸以補償由于電解質的還原而引起的初始損耗

鋰電池出廠后第一次充電時，鋰電池中的一部分電解質會因還原反應，從液態變為固態，并附著在電池的負極上。這個過程通常在電池出廠之前就進行了，會不可逆轉地降低電池的存儲能量。在現有的電極制造技術下，這一過程來帶的損失約為10%，但是對于下一代的高容量負極材料，例如硅，損耗則將達到20-30%，這將大大降低電池的實際可用容量，電極的能量密度和循環壽命也會有所虧損。

補償這種初始損耗的傳統方法是在電極中添加某些富鋰材料。然而，由于這類材料大多在空氣環境中不穩定，因此必須在完全沒有水分的干燥空氣里制造，大幅增加了電池的制造成本。Yang開發的這種三層電極結構則確保了電極完全可以在普通空氣環境下完成制造。首先，他使用了一層PMMA(常見的有機玻璃材料)，來隔絕鋰與空氣和水分的接觸；然后在PMMA聚合物上加一層人造石墨或硅納米顆粒等活性材料；最后，他讓PMMA聚合物層溶解在電池電解質中，從而將鋰與電極材料導通。Yang解釋道：“這樣我們就可以避免不穩定的鋰和鋰化電極間的空氣接觸。采用該結構的電極可以在普通空氣環境下完成，更容易實現電池電極的量產。”

Yang的方法將現有石墨電極的損耗從8%降低到0.3%，將硅電極的損耗從13%降低到-15%( 負數表示由于添加了新的鋰材料，導致電池的容量教初始狀態還有了增加)。過量的鋰可以補償隨后循環中的容量損失，因此可以進一步增強電池的循環壽命。

鋰離子電池的能量密度(即容量)在過去的25年中一直保持著5-7%的年增長率，而Yang的研究成果給進一步提高這個增長率提供了可行性方案。他的團隊現在正在努力減少PMMA涂層的厚度，以降低其在鋰電池中的比例，并爭取實現工業化生產。

耶魯大學的化學助理教授Hailiang Wang評價道：“三層電極結構的設計十分巧妙，能夠在普通空氣環境下生產含鋰金屬的電極。電極的初始庫侖效率一直是鋰離子電池行業的一大難題，因此這種簡單有效的補償技術必將引起人們極大的興趣。”

原文鏈接：New method increases energy density in lithium batteries

文獻鏈接：Zeyuan Cao， Pengyu Xu， Haowei Zhai， Sicen Du， Jyotirmoy Mandal， Martin Dontigny， Karim Zaghib， Yuan Yang.Ambient-Air Stable Lithiated Anode for Rechargeable Li-Ion Batteries with High Energy Density. Nano Letters， 2016; DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03655

本文由編輯部劉萬春提供素材，孟令曉編譯，點我加入材料人編輯部。