科学家又出妙计：三层电极锂电池

材料牛注：锂电池出厂后第一次充电时，会产生初始损耗，不可逆转地降低电池的存储能量。真是让学术界烦恼，生产商头疼。近日新开发出的三层电极锂电池可谓是福音！

哥伦比亚大学材料科学与工程学院的助理教授Yuan Yang开发了一种提高锂离子电池能量密度（即容量）的新方法。他开发的三层结构电极能在空气环境中保持稳定，因而使得电池续航时间大大延长、制造成本进一步降低。这项研究有望将锂电池的能量密度提高10-30%，相关论文已发表在了Nano Letters上。

“当锂电池第一次充电时，在第一个循环中会损失掉高达5-20%的能量”，Yang解释道，“通过结构的改进，我们已经能够避免这种损失。同时，我们的方法在增加电池寿命方面有巨大潜力，有望应用于便携式电子设备和电动汽车。”

 PMMA在初始状态下确保锂不会与空气中的水分发生反应。当PMMA被电池电解质溶解后，石墨与锂接触以补偿由于电解质的还原而引起的初始损耗

锂电池出厂后第一次充电时，锂电池中的一部分电解质会因还原反应，从液态变为固态，并附着在电池的负极上。这个过程通常在电池出厂之前就进行了，会不可逆转地降低电池的存储能量。在现有的电极制造技术下，这一过程来带的损失约为10%，但是对于下一代的高容量负极材料，例如硅，损耗则将达到20-30%，这将大大降低电池的实际可用容量，电极的能量密度和循环寿命也会有所亏损。

补偿这种初始损耗的传统方法是在电极中添加某些富锂材料。然而，由于这类材料大多在空气环境中不稳定，因此必须在完全没有水分的干燥空气里制造，大幅增加了电池的制造成本。Yang开发的这种三层电极结构则确保了电极完全可以在普通空气环境下完成制造。首先，他使用了一层PMMA(常见的有机玻璃材料)，来隔绝锂与空气和水分的接触；然后在PMMA聚合物上加一层人造石墨或硅纳米颗粒等活性材料；最后，他让PMMA聚合物层溶解在电池电解质中，从而将锂与电极材料导通。Yang解释道：“这样我们就可以避免不稳定的锂和锂化电极间的空气接触。采用该结构的电极可以在普通空气环境下完成，更容易实现电池电极的量产。”

Yang的方法将现有石墨电极的损耗从8%降低到0.3%，将硅电极的损耗从13%降低到-15%( 负数表示由于添加了新的锂材料，导致电池的容量教初始状态还有了增加)。过量的锂可以补偿随后循环中的容量损失，因此可以进一步增强电池的循环寿命。

锂离子电池的能量密度(即容量)在过去的25年中一直保持着5-7%的年增长率，而Yang的研究成果给进一步提高这个增长率提供了可行性方案。他的团队现在正在努力减少PMMA涂层的厚度，以降低其在锂电池中的比例，并争取实现工业化生产。

耶鲁大学的化学助理教授Hailiang Wang评价道：“三层电极结构的设计十分巧妙，能够在普通空气环境下生产含锂金属的电极。电极的初始库仑效率一直是锂离子电池行业的一大难题，因此这种简单有效的补偿技术必将引起人们极大的兴趣。”

原文链接：New method increases energy density in lithium batteries

文献链接：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

本文由编辑部刘万春提供素材，孟令晓编译，点我加入材料人编辑部。