“蛋黄壳”结构示意图
图片来源：phys.org
近日，美国斯坦福直线加速器中心和斯坦福大学的研究人员研发出了一个巧妙的“蛋黄壳”设计，使得锂离子电池的存储能力比当前的商业技术高出5倍以上，创造了新的储能世界纪录。这种技术能让锂离子电池的阴极在1000次的循环充放电后，仍保持较高的性能，从而为新一代更轻、更持久电池在便携式电子产品与电动汽车上的应用铺平了道路。
领导这项研究的是斯坦福大学材料科学与工程系副教授、斯坦福大学材料和能源科学院的成员崔毅，研究小组报告的结果发表在1月8日的《自然—通讯》。
锂离子电池的工作原理是锂离子在阴极和阳极之间的来回移动。充电时电池强制到达阳极的电子和离子产生能驱动各种设备的电势，而电池放电时离子和电子便移动到电池的阴极。
目前锂离子电池组通常经过500次充放电循环后，其储存能量相当于初始容量的80%。
近20年间，研究人员已经发现与锂离子电池的阴极材料相比，硫可以存储更多的锂离子，从而储存更多的能量。但有两个重要因素阻碍了硫的商业用途：在放电过程中锂离子进入硫阴极，会与硫原子结合产生一种保持阴极重要性能的锂硫化合物，但是这种化合物会不断溶解，限制阴极的能量存储能力；同时，离子的涌入会导致硫阴极扩大约80%。
当科学家们试图用涂层阻止锂硫化合物溶解时，阴极会扩大并使涂层开裂，使这一措施失效。
崔毅的创新是将一个硫阴极制成纳米颗粒，而每个阴极颗粒直径只有800纳米，大约只相当于人头发丝百分之一的直径。在每一个微小的硫块周围围绕着一圈有着坚硬外壳的多孔钛氧化物——就像蛋黄与蛋壳。原本属于蛋清的部分，是一个能够容纳扩大后硫体积的空白区域。
放电时，锂离子穿过壳体后被硫绑定，之后会变大占据空白区域，但是不会有那么多的物质“破壳”而出。同时，这个壳还可以保护锂硫化合物不被电解质溶剂所溶解。
崔毅说：“在经过1000次充放电循环后，硫阴极保留了其能量存储容量的70%，这是目前所知的世界上性能最高的硫阴极。即使没有优化设计，这种阴极循环寿命的表现已具备商业性能，这是推动未来可充电电池发展的重要成就。”（来源：中国科学报 郭湘）
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