MIT新电极设计让电池性能更强大 延长续航时间

（图源：MIT官网）

据外媒报道，麻省理工学院（MIT）研究人员提出全新电极设计，或将制造出能量密度更高、寿命更长的电池。新电极概念基于长期追求以纯锂金属为负极的目标，由巴特尔能源联盟核科学与工程教授、材料科学与工程教授Ju Li的实验室提出。

作为开发安全全固态电池概念的一部分，该设计放弃使用传统的液体或聚合物凝胶电解质材料。在电池的充放电循环中，锂离子通过电解质来回移动。采用全固态电解质可能比液体电解质更安全，因为液体电解质具有高挥发性，是锂电池的爆炸根源。

Li表示：“在固态电池、锂金属电极和固态电解质方面，已经有人做过不少研究。”但是，仍然存在许多问题。最大的问题之一是，电池充电时，锂金属内部会积聚原子，从而出现膨胀现象；放电时，金属再次收缩。这会导致固体之间接触不稳定，并且固体电解质容易断裂或分离。另一问题是，固体电解质与高活性锂金属接触时，难以保持化学稳定性，容易产生降解。

以往的研究重点关注对锂金属绝对稳定的固体电解质。事实证明，研发此类材料很困难。与之相反的是，Li及其研究团队采用独特的设计，利用另外两类固体“混合离子电子导体”（MIEC）和“电子和锂离子绝缘体”（ELI）。在与锂金属接触时，它们能够保持化学稳定性。

研究人员开发了一种三维纳米结构，呈蜂窝状MIEC管六边形阵列，在其中部分注入固体锂金属，形成电池电极，并在每个管中留有空间。在充电过程中，锂金属膨胀，像液体一样流动又能保持固体晶体结构，而不影响外部的蜂窝状结构，从而减轻充电引起的压力。另一种ELI材料，可在MIEC壁面和固体电解质层之间，作为关键的机械粘合剂。在存储容量相同的情况下，新负极的重量仅为传统锂离子电池电极的四分之一。如果与另一种轻量型正极相结合，将大幅降低锂离子电池的总体重量。

上月，Li领导的另一团队提出一种正极新概念。这种正极更轻，并且减少使用贵且有毒的镍和钴，采用更加便宜的锰。从成本上看，可能仅为传统电极的五分之一。在电池循环中，新正极不仅仅依赖过渡金属来提供容量，更依赖于氧的氧化还原能力，因为氧元素要轻得多，也更丰富。同时，为了防止氧离子从正极粒子中逃逸，研究人员用熔融盐进行高温表面处理，在富含锰和锂的金属氧化物颗粒表面形成保护层，从而大大减少氧的损失。在既定重量下，当前电极版本至少提高储能50%，而且循环稳定性更优异。

目前为止，相关研究尚处于实验室生产阶段。研究团队希望，尽快实现规模化生产。