“蛋黃殼”結構示意圖

圖片來源：phys.org

近日，美國斯坦福直線加速器中心和斯坦福大學的研究人員研發出了一個巧妙的“蛋黃殼”設計，使得鋰離子電池的存儲能力比當前的商業技術高出5倍以上，創造了新的儲能世界紀錄。這種技術能讓鋰離子電池的陰極在1000次的循環充放電后，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品與電動汽車上的應用鋪平了道路。

領導這項研究的是斯坦福大學材料科學與工程系副教授、斯坦福大學材料和能源科學院的成員崔毅，研究小組報告的結果發表在1月8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。充電時電池強制到達陽極的電子和離子產生能驅動各種設備的電勢，而電池放電時離子和電子便移動到電池的陰極。

目前鋰離子電池組通常經過500次充放電循環后，其儲存能量相當于初始容量的80%。

近20年間，研究人員已經發現與鋰離子電池的陰極材料相比，硫可以存儲更多的鋰離子，從而儲存更多的能量。但有兩個重要因素阻礙了硫的商業用途：在放電過程中鋰離子進入硫陰極，會與硫原子結合產生一種保持陰極重要性能的鋰硫化合物，但是這種化合物會不斷溶解，限制陰極的能量存儲能力;同時，離子的涌入會導致硫陰極擴大約80%。

當科學家們試圖用涂層阻止鋰硫化合物溶解時，陰極會擴大并使涂層開裂，使這一措施失效。

崔毅的創新是將一個硫陰極制成納米顆粒，而每個陰極顆粒直徑只有800納米，大約只相當于人頭發絲百分之一的直徑。在每一個微小的硫塊周圍圍繞著一圈有著堅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，是一個能夠容納擴大后硫體積的空白區域。

放電時，鋰離子穿過殼體后被硫綁定，之后會變大占據空白區域，但是不會有那么多的物質“破殼”而出。同時，這個殼還可以保護鋰硫化合物不被電解質溶劑所溶解。

崔毅說：“在經過1000次充放電循環后，硫陰極保留了其能量存儲容量的70%，這是目前所知的世界上性能最高的硫陰極。即使沒有優化設計，這種陰極循環壽命的表現已具備商業性能，這是推動未來可充電電池發展的重要成就。”