美国斯坦福大学开发出稳定金属锂阳极电池

它为超轻型、超小型、超大容量电池的出现铺平了道路。锂阳极被称为电池设计和制造业的“圣杯”，因为它可以使电池具有高能量密度，这是科学家几十年来一直追求的目标。几天前，斯坦福大学的一组研究人员声称，他们制造了一种稳定的锂金属阳极电池，这是朝着这个目标迈出的一大步。研究人员表示，这项新研究有望使超轻、超小和超大容量电池成为现实，可穿戴设备、手机和电动汽车都将从中受益。相关论文发表在最新一期的《自然纳米技术》上。

领导这项研究的斯坦福大学材料与工程学院教授崔毅表示，在所有可用于制造电池阳极的材料中，锂最具潜力。它非常轻，具有非常高的能量密度，有望使轻型和小型电池具有更大的容量。然而，锂阳极的制造非常困难，以至于许多科学家在坚持多年后不得不放弃。

目前，锂阳极的制造至少需要面临两个挑战：一是锂在充电过程中的膨胀现象。充电时，锂离子会聚集并膨胀。包括石墨和硅在内的所有阳极材料都会膨胀，但不像锂那样明显。与其他材料相比，锂的膨胀“几乎是无限的”。此外，膨胀不均匀，导致凹坑和裂缝。这些裂缝会让珍贵的锂离子从中逸出，形成毛发或苔藓状的生长。这将导致电池短路，并严重缩短其使用寿命。

第二，锂阳极在与电解质接触后具有高活性。这会消耗电解液并缩短电池寿命。由此产生的另一个问题是，它们在接触时会产生热量。如果过热，它会燃烧甚至爆炸。因此，这是一个严重的安全问题。

“尽管这很困难，但我们仍然找到了解决问题的办法。”在崔毅实验室工作的郑光远博士说，他是这篇论文的第一作者。物理学家组织网7月28日报道，为了解决这些问题，研究人员用碳作为锂阳极，制作了一种名为“纳米球”的纳米保护层。这些纳米球保护层在外观上看起来像蜂窝，具有柔性和化学稳定性，单个厚度仅为20纳米。

崔毅说，这种纳米球是由看不见的碳制成的，不仅具有良好的化学稳定性，而且具有良好的强度和柔韧性。它不仅可以防止锂与电解质接触，而且具有一定的机械强度，可以承受锂阳极在充电过程中的膨胀现象。

从技术上讲，纳米球可以极大地提高电池的库仑效率（也称为充放电效率），即在一定的充放电条件下，放电过程中释放的电荷与充电过程中充电的百分比。在正常情况下，为了满足日常使用的需要，电池应该能够达到99.9%以上的充放电效率。

实验表明，无保护的锂阳极可以达到96%的充放电效率，经过100次充放电循环后，只能达到50%，这显然是不够的。斯坦福团队的新型锂电极经过150次充放电后，可以将充放电效率保持在99%。99%和96%之间的差异对于电池的充电和放电效率来说是巨大的。

崔毅说：“虽然目前我们还没有达到99.9%的目标，但我们正在慢慢接近，与之前的技术相比，新的设计实现了巨大的飞跃。随着新电解质的进一步研究和采用，我们相信成功指日可待。”

我们一直在追求强大的电池，并将希望寄托在最有潜力的锂上。就在世界各地的科学家都在努力突破锂电池发展的局限之际，斯坦福大学的研究团队为其披上了纳米材料的“外衣”。这一富有创意的新尝试不仅弥补了传统锂电池的缺陷，而且为提高电池的充放电效率做出了突出贡献。随着小型化设备数量的不断增加，我们预计这项新技术将有助于锂金属阳极电池……

ies蓬勃发展，使未来的电池不仅使用安全，而且更轻、更小、更耐用。它为超轻型、超小型、超大容量电池的出现铺平了道路。锂阳极被称为电池设计和制造业的“圣杯”，因为它可以使电池具有高能量密度，这是科学家几十年来一直追求的目标。几天前，斯坦福大学的一组研究人员声称，他们制造了一种稳定的锂金属阳极电池，这是朝着这个目标迈出的一大步。研究人员表示，这项新研究有望使超轻、超小和超大容量电池成为现实，可穿戴设备、手机和电动汽车都将从中受益。相关论文发表在最新一期的《自然纳米技术》上。

领导这项研究的斯坦福大学材料与工程学院教授崔毅表示，在所有可用于制造电池阳极的材料中，锂最具潜力。它非常轻，具有非常高的能量密度，有望使轻型和小型电池具有更大的容量。然而，锂阳极的制造非常困难，以至于许多科学家在坚持多年后不得不放弃。

目前，锂阳极的制造至少需要面临两个挑战：一是锂在充电过程中的膨胀现象。充电时，锂离子会聚集并膨胀。包括石墨和硅在内的所有阳极材料都会膨胀，但不像锂那样明显。与其他材料相比，锂的膨胀“几乎是无限的”。此外，膨胀不均匀，导致凹坑和裂缝。这些裂缝会让珍贵的锂离子从中逸出，形成毛发或苔藓状的生长。这将导致电池短路，并严重缩短其使用寿命。

第二，锂阳极在与电解质接触后具有高活性。这会消耗电解液并缩短电池寿命。由此产生的另一个问题是，它们在接触时会产生热量。如果过热，它会燃烧甚至爆炸。因此，这是一个严重的安全问题。

“尽管这很困难，但我们仍然找到了解决问题的办法。”在崔毅实验室工作的郑光远博士说，他是这篇论文的第一作者。物理学家组织网7月28日报道，为了解决这些问题，研究人员用碳作为锂阳极，制作了一种名为“纳米球”的纳米保护层。这些纳米球保护层在外观上看起来像蜂窝，具有柔性和化学稳定性，单个厚度仅为20纳米。

崔毅说，这种纳米球是由看不见的碳制成的，不仅具有良好的化学稳定性，而且具有良好的强度和柔韧性。它不仅可以防止锂与电解质接触，而且具有一定的机械强度，可以承受锂阳极在充电过程中的膨胀现象。

从技术上讲，纳米球可以极大地提高电池的库仑效率（也称为充放电效率），即在一定的充放电条件下，放电过程中释放的电荷与充电过程中充电的百分比。在正常情况下，为了满足日常使用的需要，电池应该能够达到99.9%以上的充放电效率。

实验表明，无保护的锂阳极可以达到96%的充放电效率，经过100次充放电循环后，只能达到50%，这显然是不够的。斯坦福团队的新型锂电极经过150次充放电后，可以将充放电效率保持在99%。99%和96%之间的差异对于电池的充电和放电效率来说是巨大的。

崔毅说：“虽然目前我们还没有达到99.9%的目标，但我们正在慢慢接近，与之前的技术相比，新的设计实现了巨大的飞跃。随着新电解质的进一步研究和采用，我们相信成功指日可待。”

我们一直在追求强大的电池，并将希望寄托在最有潜力的锂上。就在世界各地的科学家都在努力突破锂电池发展的局限之际，斯坦福大学的研究团队为其披上了纳米材料的“外衣”。这一富有创意的新尝试不仅弥补了传统锂电池的缺陷，而且为提高电池的充放电效率做出了突出贡献。随着我……

随着小型化设备数量的增加，我们希望这项新技术能帮助锂金属阳极电池蓬勃发展，使未来的电池不仅使用安全，而且更轻、更小、更耐用。

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