鋰電池出廠后第一次充電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生初始損耗，不可逆轉(zhuǎn)地降低電池的存儲(chǔ)能量。真是讓學(xué)術(shù)界煩惱，生產(chǎn)商頭疼。近日新開發(fā)出的三層電極鋰電池可謂是福音！
　　哥倫比亞大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授Yuan Yang開發(fā)了一種提高鋰離子電池能量密度（即容量）的新方法。他開發(fā)的三層結(jié)構(gòu)電極能在空氣環(huán)境中保持穩(wěn)定，因而使得電池續(xù)航時(shí)間大大延長(zhǎng)、制造成本進(jìn)一步降低。這項(xiàng)研究有望將鋰電池的能量密度提高10-30%，相關(guān)論文已發(fā)表在了Nano Letters上。
　　“當(dāng)鋰電池第一次充電時(shí)，在第一個(gè)循環(huán)中會(huì)損失掉高達(dá)5-20%的能量”，Yang解釋道，“通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，我們已經(jīng)能夠避免這種損失。同時(shí)，我們的方法在增加電池壽命方面有巨大潛力，有望應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車。”
　　鋰電池出廠后第一次充電時(shí)，鋰電池中的一部分電解質(zhì)會(huì)因還原反應(yīng)，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，并附著在電池的負(fù)極上。這個(gè)過程通常在電池出廠之前就進(jìn)行了，會(huì)不可逆轉(zhuǎn)地降低電池的存儲(chǔ)能量。在現(xiàn)有的電極制造技術(shù)下，這一過程來帶的損失約為10%，但是對(duì)于下一代的高容量負(fù)極材料，例如硅，損耗則將達(dá)到20-30%，這將大大降低電池的實(shí)際可用容量，電極的能量密度和循環(huán)壽命也會(huì)有所虧損。
　　補(bǔ)償這種初始損耗的傳統(tǒng)方法是在電極中添加某些富鋰材料。然而，由于這類材料大多在空氣環(huán)境中不穩(wěn)定，因此必須在完全沒有水分的干燥空氣里制造，大幅增加了電池的制造成本。Yang開發(fā)的這種三層電極結(jié)構(gòu)則確保了電極完全可以在普通空氣環(huán)境下完成制造。首先，他使用了一層PMMA(常見的有機(jī)玻璃材料)，來隔絕鋰與空氣和水分的接觸；然后在PMMA聚合物上加一層人造石墨或硅納米顆粒等活性材料；最后，他讓PMMA聚合物層溶解在電池電解質(zhì)中，從而將鋰與電極材料導(dǎo)通。Yang解釋道：“這樣我們就可以避免不穩(wěn)定的鋰和鋰化電極間的空氣接觸。采用該結(jié)構(gòu)的電極可以在普通空氣環(huán)境下完成，更容易實(shí)現(xiàn)電池電極的量產(chǎn)。”
　　Yang的方法將現(xiàn)有石墨電極的損耗從8%降低到0.3%，將硅電極的損耗從13%降低到-15%( 負(fù)數(shù)表示由于添加了新的鋰材料，導(dǎo)致電池的容量教初始狀態(tài)還有了增加)。過量的鋰可以補(bǔ)償隨后循環(huán)中的容量損失，因此可以進(jìn)一步增強(qiáng)電池的循環(huán)壽命。
　　鋰離子電池的能量密度(即容量)在過去的25年中一直保持著5-7%的年增長(zhǎng)率，而Yang的研究成果給進(jìn)一步提高這個(gè)增長(zhǎng)率提供了可行性方案。他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在努力減少PMMA涂層的厚度，以降低其在鋰電池中的比例，并爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
　　耶魯大學(xué)的化學(xué)助理教授Hailiang Wang評(píng)價(jià)道：“三層電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)十分巧妙，能夠在普通空氣環(huán)境下生產(chǎn)含鋰金屬的電極。電極的初始庫(kù)侖效率一直是鋰離子電池行業(yè)的一大難題，因此這種簡(jiǎn)單有效的補(bǔ)償技術(shù)必將引起人們極大的興趣。”