近日，美國斯坦福直線加速器中心和斯坦福大學(xué)的研究人員研發(fā)出了一個(gè)巧妙的“蛋黃殼”設(shè)計(jì)，使得鋰離子電池的存儲(chǔ)能力比當(dāng)前的商業(yè)技術(shù)高出5倍以上，創(chuàng)造了新的儲(chǔ)能世界紀(jì)錄。這種技術(shù)能讓鋰離子電池的陰極在1000次的循環(huán)充放電后，仍保持較高的性能，從而為新一代更輕、更持久電池在便攜式電子產(chǎn)品與電動(dòng)汽車上的應(yīng)用鋪平了道路。

“蛋黃殼”結(jié)構(gòu)示意圖

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的是斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授、斯坦福大學(xué)材料和能源科學(xué)院的成員崔毅，研究小組報(bào)告的結(jié)果發(fā)表在一月八日的《自然—通訊》。

鋰離子電池的工作原理是鋰離子在陰極和陽極之間的來回移動(dòng)。充電時(shí)電池強(qiáng)制到達(dá)陽極的電子和離子出現(xiàn)能驅(qū)動(dòng)各種設(shè)備的電勢(shì)，而電池放電時(shí)離子和電子便移動(dòng)到電池的陰極。

目前鋰離子電池組通常經(jīng)過500次充放電循環(huán)后，其儲(chǔ)存能量相當(dāng)于初始容量的80%。

近20年間，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與鋰離子電池的陰極材料相比，硫可以存儲(chǔ)更多的鋰離子，從而儲(chǔ)存更多的能量。但有兩個(gè)重要因素阻礙了硫的商業(yè)用途：在放電過程中鋰離子進(jìn)入硫陰極，會(huì)與硫原子結(jié)合出現(xiàn)一種保持陰極重要性能的鋰硫化合物，但是這種化合物會(huì)不斷溶解，限制陰極的能量存儲(chǔ)能力;同時(shí)，離子的涌入會(huì)導(dǎo)致硫陰極擴(kuò)大約80%。

當(dāng)科學(xué)家們?cè)噲D用涂層阻止鋰硫化合物溶解時(shí)，陰極會(huì)擴(kuò)大并使涂層開裂，使這一措施失效。

崔毅的創(chuàng)新是將一個(gè)硫陰極制成納米顆粒，而每個(gè)陰極顆粒直徑只有800納米，大約只相當(dāng)于人頭發(fā)絲百分之一的直徑。在每一個(gè)微小的硫塊周圍圍繞著一圈有著堅(jiān)硬外殼的多孔鈦氧化物——就像蛋黃與蛋殼。原本屬于蛋清的部分，是一個(gè)能夠容納擴(kuò)大后硫體積的空白區(qū)域。

放電時(shí)，鋰離子穿過殼體后被硫綁定，之后會(huì)變大占據(jù)空白區(qū)域，但是不會(huì)有那么多的物質(zhì)“破殼”而出。同時(shí)，這個(gè)殼還可以保護(hù)鋰硫化合物不被電解質(zhì)溶劑所溶解。

崔毅說：“在經(jīng)過1000次充放電循環(huán)后，硫陰極保留了其能量存儲(chǔ)容量的70%，這是目前所知的世界上性能最高的硫陰極。即使沒有優(yōu)化設(shè)計(jì)，這種陰極循環(huán)壽命的表現(xiàn)已具備商業(yè)性能，這是推動(dòng)未來可充電電池發(fā)展的重要成就。”