對(duì)于智能手機(jī)來(lái)說(shuō)，目前最大的瓶頸就是鋰電池，不少科學(xué)家也都是在積極尋找新的解決方案。

現(xiàn)在，來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們就帶來(lái)了一個(gè)令人興奮的未來(lái)進(jìn)展，其展示了一種克服了一些當(dāng)前設(shè)計(jì)限制的新型固態(tài)電池結(jié)構(gòu)。這些被稱為固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)大幅提高電池內(nèi)部的能量密度來(lái)極大地延長(zhǎng)電動(dòng)汽車和移動(dòng)設(shè)備的使用壽命。

發(fā)表在《Trendsinchemistry》上的一篇研究論文顯示，目前鋰電池的陽(yáng)極由銅和石墨混合制成，但如果它由純鋰制成則可能能打破當(dāng)前鋰離子化學(xué)的能量密度瓶頸。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種被叫做混合離子-電子導(dǎo)體（MIEC）和電子和鋰離子絕緣體（ELI）的固體材料組合。它們被打造成一個(gè)三維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，而由MIEC制成的納米管構(gòu)成了這個(gè)謎題的關(guān)鍵部分。

這些管被注入固體鋰金屬形成的電池陽(yáng)極。由于每個(gè)管子內(nèi)部都有額外的空間，所以鋰金屬在充放電的時(shí)候能有多余的空間來(lái)進(jìn)行膨脹和收縮。通過(guò)這種方式，這種材料在固體和液體材料之間保持著微妙的平衡并且移動(dòng)方式非常像液體。

所有這一切都發(fā)生在蜂窩結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極內(nèi)，ELI則被涂在管壁上充當(dāng)其跟固體電解質(zhì)之間的粘合劑。這意味著當(dāng)電池充電時(shí)，鋰金屬的波動(dòng)尺寸完全包含在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其外部尺寸則保持不變。

未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)將可能會(huì)制造出重量約為當(dāng)前設(shè)計(jì)1/4但存儲(chǔ)容量相同的陽(yáng)極。這一團(tuán)隊(duì)表示，通過(guò)跟其他先進(jìn)的陰極設(shè)計(jì)相結(jié)合，未來(lái)將可以生產(chǎn)出重量和尺寸跟現(xiàn)在相同但只需隔三天充一次電的智能手機(jī)。

日本科學(xué)家用噴霧沉積法制備硅納米顆粒實(shí)現(xiàn)高容量全固態(tài)鋰電池

據(jù)外媒報(bào)道，一項(xiàng)由日本國(guó)立材料科學(xué)研究所（NIMS）研究人員進(jìn)行的新研究顯示，在固態(tài)電解質(zhì)中，用噴霧沉積法制備商業(yè)硅納米顆粒，然后僅用此種硅納米顆粒制成的硅陽(yáng)極展示出優(yōu)異的電極性能，而此前只在用蒸發(fā)法制備薄膜電極才展示了如此優(yōu)異的性能。此種方法是一種極具成本效益的大氣技術(shù)，該研究結(jié)果表明，大規(guī)模且以低成本生產(chǎn)用于全固態(tài)鋰電池的高容量陽(yáng)極成為了可能。

（圖片來(lái)源：日本國(guó)立材料科學(xué)研究所）

理論上說(shuō)，硅的容量約為4,200mAh/g，約為商用鋰離子電池中常用的陽(yáng)極活性材料–石墨的11倍，用硅替代傳統(tǒng)的石墨可以極大地延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。不過(guò)，在鋰化和脫鋰（電池充放電過(guò)程）過(guò)程中，硅的體積會(huì)發(fā)生巨大變化（增大約3倍），從而阻止了其在電池中的實(shí)際應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)中，有必要采用聚合物粘合劑將電極中的活性物質(zhì)顆粒粘合在一起，并讓其能夠粘附在金屬集電流器上。硅的體積不斷發(fā)生巨大變化會(huì)導(dǎo)致顆粒脫離，從而導(dǎo)致活性物質(zhì)的丟失，進(jìn)而導(dǎo)致容量不斷損失。在固態(tài)電池中，活性材料被置于兩個(gè)固態(tài)組件之間，即固態(tài)電解質(zhì)隔離層和金屬集電流器之間。事實(shí)上，正如NIMS研究人員所說(shuō)，濺鍍沉積的純硅薄膜的實(shí)際面積容量超過(guò)2.2mAh/cm2，在固態(tài)電解質(zhì)中顯示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和高速率放電能力。盡管如此，在全固態(tài)鋰電池中實(shí)現(xiàn)低成本、可工業(yè)擴(kuò)展的合成陽(yáng)極仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

NIMS研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)采用另一種合成法以實(shí)現(xiàn)高性能陽(yáng)極，用于由商用硅納米顆粒制成的全固態(tài)鋰電池。研究人員發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池中的納米顆粒有一個(gè)獨(dú)特的現(xiàn)象：在鋰化后，在固態(tài)電解質(zhì)隔離層和金屬集電流器之間的有限空間內(nèi)，納米顆粒的體積會(huì)膨脹、結(jié)構(gòu)被壓實(shí)、還會(huì)明顯聚積，與采用蒸發(fā)法制備的納米顆粒相似。所以，用噴霧沉積法制備納米顆粒，以用于陽(yáng)極才會(huì)展示出優(yōu)異的電極性能，此前此種優(yōu)異性能只在濺鍍沉積法制成的薄膜電極中發(fā)現(xiàn)。噴霧沉積法是一種具成本效益的大氣技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。因此，此類發(fā)現(xiàn)可以為以低成本大規(guī)模生產(chǎn)用于全固態(tài)鋰電池的高容量陽(yáng)極鋪平道路。

為了滿足電動(dòng)汽車的要求，NIMS的研究人員還在繼續(xù)努力，提升該陽(yáng)極的循環(huán)能力。