稳定的锂阳极保证了高效的可充电电池

进步，一篇发表在自然纳米技术可能会产生更小、更便宜、更高效的可充电电池。

该研究团队负责人、材料科学与工程教授崔毅说，在所有可能用于阳极的材料中，锂具有最大的潜力。“它非常轻，而且能量密度最高。单位体积和重量可以获得更多电量，从而生产出更轻、更小、电量更大的电池。”

我们相信我们可以实现一种实用而稳定的锂金属阳极，可以为下一代可充电电池提供动力

除了郑光元，该研究团队还包括崔永元实验室的博士生、论文第一作者郑光元，以及美国前能源部长、诺贝尔奖得主朱棣文(Steven Chu)，朱棣文最近恢复了在斯坦福大学的教授职位。

“在实际应用中，如果我们能将电池容量提高到现在的四倍，那将是令人兴奋的。朱棣文在一份声明中说:“你可能会拥有电池寿命延长两倍或三倍的手机，或者一辆续航300英里的电动汽车，只需2.5万美元——与每加仑40英里的内燃机相比具有竞争力。”

大多数锂离子电池的工作原理类似，其关键部件包括阳极(电子从负极流出并进入设备)和阴极(电子在通过电路后再次进入电池)。将它们分开的是电解质，电解质是一种固体或液体，含有带正电荷的锂离子，在阳极和阴极之间流动。

在充电过程中，电解液中带正电的锂离子被吸引到带负电的阳极上，锂在阳极上积累。如今，锂离子电池的阳极实际上是由石墨或硅制成的。

工程师们希望使用锂作为阳极，但到目前为止他们还不能这样做，因为锂离子在充电过程中聚集在阳极上时会膨胀。

所有的负极材料，包括石墨和硅，都会在充电过程中膨胀，但不像锂那样。研究人员表示，相对于其他材料，锂在充电过程中的膨胀几乎是无限的。它的扩张也是不平衡的;使外表面形成凹坑和裂缝。

阳极表面的裂缝使锂离子逸出，形成毛发状或苔藓状的生长，称为树突，可以使电池短路。

防止这种积聚是使用锂作为电池阳极的第一个挑战。第二个工程挑战是，锂阳极与电解液发生高度化学反应，耗尽了电解液，降低了电池寿命。另一个问题是阳极和电解液接触时会产生热量。

为了解决这些问题，斯坦福大学的研究人员在锂阳极上建立了一个相互连接的碳圆顶保护层，该团队将其描述为纳米球。

斯坦福大学团队的纳米球层就像一个蜂巢:它创造了一个灵活的、均匀的、不反应的薄膜，保护不稳定的锂免受使它成为一个挑战的缺陷。碳纳米球壁厚20纳米。

Cui说:“理想的锂金属阳极保护层需要具有稳定的化学性质，以防止与电解质发生化学反应，并具有坚固的机械性能，以承受充电过程中锂的膨胀。”

斯坦福纳米球由无定形碳制成，化学性质稳定，但强度大且灵活，因此在电池正常充放电循环中，锂在膨胀和收缩时可以随锂自由上下移动。

纳米球提高了电池的库仑效率。一般来说，为了在商业上可行，电池必须在尽可能多的循环中具有99.9%或更高的库仑效率。以前无保护的锂金属阳极的效率约为96%，仅在100次循环中就降至50%以下。据说，斯坦福大学团队的新锂金属阳极即使在150次循环中也能达到99%的效率。

崔说:“通过一些额外的工程和新的电解质，我们相信我们可以实现一种实用而稳定的锂金属阳极，可以为下一代可充电电池提供动力。”