鋰離子電池為從手機到筆記本電腦再到電動汽車的所有設備供電。世界各地的科學家一直在尋找新的和改進的組件，以為這些應用和其他應用制造更好的電池。

美國能源部（DOE）的阿貢國家實驗室（ArgonneNationalLaboratory）的科學家報告了一種使用低成本材料的鉛和碳為鋰離子電池設計的新電極。這項重要發(fā)現的貢獻者還包括西北大學，布魯克海文國家實驗室和蔚山國立科學技術研究院（UNIST）的科學家。

阿貢大學化學科學與工程（CSE）的首席作者兼材料科學家EungjeLee表示：“我們的研究對于設計可為混合動力和全電動汽車提供動力的低成本，高性能，可持續(xù)發(fā)展的鋰離子電池具有令人興奮的意義。

鋰離子電池的工作原理是在充電過程中將鋰離子插入陽極，并在放電過程中將其除去。目前的石墨陽極可以進行數千次這樣的充放電循環(huán)，但在儲能能力方面似乎已達到其極限。

Lee說：“我們決定研究鉛，以替代石墨作為陽極材料。鉛之所以特別具有吸引力，是因為它既便宜又便宜。此外，由于鉛酸電池為汽車提供輔助電源的悠久歷史，它擁有完善的供應鏈，是世界上回收利用最多的材料之一。在美國，當前的鉛回收率是99％。

李補充說：“我們的新陽極可以為目前從事鉛酸電池制造和回收的大型行業(yè)提供新的收入來源。”

該團隊的陽極不是一塊普通的鉛板，而是無數個具有復雜結構的微觀顆粒：鉛納米顆粒嵌入碳基質中，并被氧化鉛薄殼包圍。盡管此結構聽起來很復雜，但該團隊發(fā)明了一種簡單，低成本的制造方法。

“我們的方法包括將大的氧化鉛顆粒與碳粉混合振蕩數小時，直到形成具有所需核-殼結構的微觀顆粒，”該項目的主要研究人員兼CSE的Argonne杰出研究員ChristopherJohnson解釋說。

在超過100個充放電循環(huán)的實驗室電池中進行的測試表明，新的鉛基納米復合陽極的儲能能力是當前石墨陽極的兩倍（對于相同的重量進行標準化）。循環(huán)過程中穩(wěn)定的性能是可能的，因為小粒徑的顆粒可緩解應力，而碳基質提供所需的導電性，并充當緩沖劑，可防止循環(huán)過程中破壞體積膨脹。研究小組還發(fā)現，向標準電解液中添加少量的碳酸氟代亞乙酯會顯著提高性能。

研究人員在由DOE科學使用者設施辦公室Argona的AdvancedPhotonSource由芝加哥大學運營的GeoSoilEnviro高級輻射源中心（GSECARS）研究了其陽極的充放電機理。通過同步加速器X射線衍射，他們能夠跟蹤負極材料在充電和放電時的相變。這些表征結果與西北大學原子與納米級表征中心以及布魯克海文的DOE用戶設施國家同步加速器光源II所收集的結果相結合，揭示了充電和放電時鉛與鋰離子之間發(fā)生的電化學反應，以前是未知的。

Lee說：“這一基本見解可能對理解鉛和硅陽極的反應機理很重要。”

硅陽極是下一代鋰離子電池的另一種低成本，高性能的選擇。

約翰遜說：“我們的發(fā)現挑戰(zhàn)了目前對這種電極材料的理解。”``我們的發(fā)現還為設計用于運輸和固定儲能的低成本，高性能陽極材料提供了令人興奮的含義，例如用于電網的備用電源。''

該團隊的論文發(fā)表在最近出版的《高級功能材料》上。