一種新的全固態(tài)鋰電池不僅可以儲(chǔ)存幾乎是標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池兩倍的能量，而且它也不容易像現(xiàn)在的商業(yè)電池那樣起火。該原型成功的背后的秘密是什么？在一項(xiàng)新的研究中去掉了一個(gè)電池常用的電極。

傳統(tǒng)的電池通過兩個(gè)電極之間的化學(xué)反應(yīng)供電——帶負(fù)電的陽極和帶正電的陰極，帶負(fù)電陽極的電子從電池中流出，帶正電陰極的電子可以進(jìn)入電池。典型的鋰離子電池的電極是由其結(jié)構(gòu)可以儲(chǔ)存和釋放帶電鋰離子的物質(zhì)制成的。陽極通常由石墨組成，而陰極通常是金屬氧化物。這些電極材料被涂覆在金屬箔上，金屬箔收集陽極產(chǎn)生的電流，這種金屬通常是銅，陰極是鋁。

鋰離子電池中的電極通常通過液體或凝膠電解質(zhì)相互作用。全固態(tài)電池轉(zhuǎn)而采用由陶瓷等材料制成的固體電解質(zhì)。

固體電解質(zhì)比液體或凝膠電解質(zhì)更緊湊。這意味著，在相同的重量或空間下，所有固態(tài)電池都可以比傳統(tǒng)電池產(chǎn)生更多的能量。此外，全固態(tài)鋰電池比使用通常易燃的有機(jī)液體電解質(zhì)的傳統(tǒng)鋰電池安全得多。

至于制造穩(wěn)定、有用的全固態(tài)電池的最佳方法，仍有很多不確定因素。例如，之前的研究發(fā)現(xiàn)，硫化物基固體電解質(zhì)可以幫助制造可以儲(chǔ)存大量能量的電池。然而，這些電解質(zhì)中的硫化物可以與兩個(gè)電極反應(yīng)，產(chǎn)生阻礙電池內(nèi)電流的化合物。

科學(xué)家們?cè)噲D改進(jìn)全固態(tài)電池的一種方法是用銅箔集電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨陽極。這一策略可以顯著提高這些電池的能量。這項(xiàng)研究的資深作者、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的材料科學(xué)家David Mitlin說：“實(shí)際上，你正在消除電池一半的內(nèi)部材料，”他補(bǔ)充道，“使用更少的材料也降低了成本。”

然而，研究無陽極全固態(tài)電池所面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，它們要以穩(wěn)定的方式經(jīng)歷放電和再充電循環(huán)。現(xiàn)在，在一項(xiàng)新的研究中，研究人員表明一種新的涂層可能會(huì)克服這個(gè)問題。

科學(xué)家們用硫化物基固體電解質(zhì)進(jìn)行了無陽極全固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)。他們探索在其銅集電器上涂上超薄的鋰活化碲。其目的是控制鋰金屬在銅上擴(kuò)散或“潤(rùn)濕”銅的方式。他們發(fā)現(xiàn)這種新的涂層有助于鋰金屬在銅集電器上沉積和溶解成一層均勻的薄層。

在沒有這種新涂層的情況下，研究人員發(fā)現(xiàn)銅箔在充電和放電過程中會(huì)被不規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)覆蓋。Mitlin說，其中包括尖銳的枝晶，它們“可以而且將導(dǎo)致陽極和陰極之間的電池短路，進(jìn)而導(dǎo)致電池起火”。它們還包括阻礙電池性能的“死金屬”塊和蜂窩狀材料外殼。他說：“這就像發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部覆蓋了一層厚厚的鐵銹。”

與商用鋰離子電池相比，這種新型電池可以多容納72%的重量能量和95%的體積能量。研究人員指出，他們可以使用標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)在這些銅集電器上生產(chǎn)新的涂層。他們補(bǔ)充道，這可能有助于直接擴(kuò)大這些新電池的生產(chǎn)。

Mitlin說：“這些發(fā)現(xiàn)可能為無陽極和全固態(tài)電池的大規(guī)模商業(yè)化提供了關(guān)鍵的缺失環(huán)節(jié)。”

盡管如此，Mitlin警告說，盡管這項(xiàng)研究可能解決了無陽極全固態(tài)鋰電池的一個(gè)關(guān)鍵問題，但要真正將其推向市場(chǎng)，還需要大量的開發(fā)。他說：“要使無陽極全固態(tài)鋰電池從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模發(fā)展到原型規(guī)模，更不用說汽車規(guī)模了，還需要進(jìn)行大量的工作。”

審核編輯：劉清