鋰陽極由于能使電池具備極高的能量密度，被譽為電池設計制造業(yè)的“圣杯”，幾十年來，一直都是科學家們孜孜以求的目標。日前，美國斯坦福大學的一組研究人員宣稱已經制造出了穩(wěn)定的金屬鋰陽極電池，向這一目標邁出了一大步。研究人員稱，新研究有望讓超輕、超小、超大容量的電池成為現(xiàn)實，可穿戴設備、手機以及電動汽車或都將因此受益。相關論文發(fā)表在最新一期的《自然·納米技術》雜志上。
　　領導這項研究的斯坦福大學材料科與工程學院教授崔毅（音譯）說，在所有能用來制造電池陽極的材料中，鋰最有潛力，它非常輕又具有非常高的能量密度，有望讓質量輕、體積小的電池具備更大的容量。但制造鋰陽極卻是一件非常困難的事情，以至于不少科學家在堅持多年后不得不放棄。
　　目前，制造鋰陽極至少需要面臨兩個挑戰(zhàn)：一是鋰在充電時出現(xiàn)的膨脹現(xiàn)象。在充電時，鋰離子會聚集起來發(fā)生膨脹。所有的陽極材料，包括石墨和硅在內都會發(fā)生膨脹，但不會像鋰這么明顯。相對于其他材料，鋰的膨脹“幾乎是無限”的。非但如此，這種膨脹還是不均勻的，會造成凹坑和裂縫。這些裂縫會使寶貴的鋰離子從中逸出，形成毛發(fā)或苔蘚狀生長。這會導致電池短路，嚴重縮短其使用壽命。
　　二是鋰陽極在與電解質接觸后具有很高的活性。這會消耗電解質并縮短電池壽命。由此產生的一個附加問題是，當它們接觸時還會發(fā)熱。而過熱就會出現(xiàn)燃燒甚至爆炸，因此，這是一個嚴重的安全問題。
　　“雖然如此困難，我們還是找到解決問題的辦法。”正在崔毅實驗室工作的鄭廣元（音譯）博士說，他是論文的第一作者。物理學家組織網7月28日報道稱，為了解決這些問題，研究人員用碳為鋰陽極制造了一個名為“納米球”的納米保護層。這些納米球保護層從外形上看起來很像蜂窩，可彎曲且化學性質穩(wěn)定，單個厚度只有20納米。
　　崔毅說，這種納米球由無形碳制成，不但具有很好的化學穩(wěn)定性，還有很好的強度和柔性。既能防止其中的鋰與電解質接觸還具備一定的機械強度，能夠承受鋰陽極在充電過程中出現(xiàn)的膨脹現(xiàn)象。
　　在技術方面，納米球能大幅提高電池的庫侖效率（也叫充放電效率），即在一定的充放電條件下，放電時釋放出來的電荷與充電時充入的電荷百分比。一般情況下，為了達到日常使用需要，電池應能達到99.9%以上的充放電效率。
　　實驗顯示，未受保護的鋰陽極可以達到96%的充放電效率，在100次充放電循環(huán)后，只能達到50%，顯然是不夠的。而斯坦福團隊的新型鋰電極在充放電150次后，充放電效率還能保持在99%。對電池充放電效率而言99%與96%之間的差異是巨大的。
　　崔毅說：“雖然目前還沒有達到99.9%的目標，但我們正在慢慢接近，并且與先前的技術相比，新設計已經實現(xiàn)了巨大的跨越。隨著研究的進一步深入和新型電解質的采用，我們相信成功就在眼前。”
　　我們一直在追求強大的電池，并將希望寄托在最有潛力的鋰身上。正當全世界的科學家都在試圖突破鋰電池自身發(fā)展的局限時，斯坦福的研究團隊為它穿上一件納米材料的“外衣”。這項富有創(chuàng)意的新嘗試不僅彌補了傳統(tǒng)鋰電池的缺陷，還為提高電池充放效率做出卓越貢獻。隨著小型化設備的日益增多，我們期待這項新技術助力金屬鋰陽極電池風生水起，讓未來電池不僅使用安全，而且更輕、更小、續(xù)航力更持久。