鋰離子電池電極連在一起，采用一種新的高導電材料，就會具有更高的存儲容量，這一進展最終可增加電動汽車的行程，延長智能手機電池的使用壽命，又不會增加它們的成本。不同于許多高容量電極，就是在過去幾年開發(fā)的那些，這些電極制備時所采用的設(shè)備，都見于今天的電池工廠。
 電池粘結(jié)劑：這幅顯微鏡圖像顯示的硅電極，是充電前（左）和32次循環(huán)后。一種新的粘合劑使這些粒子緊密結(jié)合在一起。 |
關(guān)鍵是一種有彈性、高導電性的高分子粘結(jié)劑，可用于結(jié)合硅、錫和其他材料，儲存大量能量，但通常不穩(wěn)定。勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人員精心設(shè)計了這種新的高分子粘結(jié)劑，并用它制成硅陽極，用于可充電鋰離子電池，存儲容量提高了30％，這是對比今天市場上的那些而言。它也更穩(wěn)定，耐久，勝過以前開發(fā)的電極。
鋰離子電池充電時，鋰離子被吸到一個電極上，稱為陽極。陽極可容納的鋰越多，電池可儲存的能量就越多。硅是最有前途的一種陽極材料：它可存儲的鋰比石墨多10倍以上，用它制備的陽極，就用于今天市場上的鋰離子電池。“石墨吸收鋰就像一塊海綿，會保持形狀，但硅更像一個氣球，”劉高（Gao Liu）說，他是伯克利實驗室環(huán)境能源技術(shù)部研究員。
不過，因為硅陽極膨脹和收縮，改變體積達三或四倍，因為它們要充電和放電，這樣，電池容量日久會退化。劉高說，“經(jīng)過幾次充電和放電后，很快，這些硅顆粒就不再相互接觸，”這就意味著陽極不能導電。
有一個方法是針對這個問題，就是構(gòu)建這些陽極要采用完全不同的方式，例如，培育毛茸茸的陣列狀硅納米線，可以彎曲，膨脹，四處移動，因為鋰會進入和退出。正在對這種方法搞商業(yè)化的是阿姆普留斯公司（Amprius），這是一家新創(chuàng)公司，在加利福尼亞州（California）帕洛•阿爾托（Palo Alto）。但是，培育納米線需要的新工藝，通常不用于電池制造。
今天的陽極制備，是要涂抹一種溶劑型漿料石墨顆粒，結(jié)合在一起時要用粘結(jié)劑，這是一個簡單的工藝，可降低成本。伯克利實驗室的研究人員認為，關(guān)鍵是，使這種新電池材料像硅一樣有效，就要堅持這種制造工藝。這意味著，提出了一種橡膠粘合劑，可以粘住硅顆粒，保持高導電性，適應(yīng)陽極惡劣環(huán)境，而且可以拉長收縮，因為陽極會膨脹縮小。
這種先進電池的大部分工作集中在這種活性材料上，但是“我們已經(jīng)把這些材料推到了極限，” 尤里•高果奇（Yury Gogotsi）說，他是德雷克塞爾大學（Drexel University）材料科學與工程教授。“現(xiàn)在，限制我們的就是粘合劑。”
查閱硅電池粘合劑論文，劉高注意到，研究人員正在犯“致命錯誤”，例如，選擇的聚合物失去了導電性，所在各種條件都見于陽極。他曾與理論化學家提出的一系列聚合物，電氣性能都適合這項工作。一旦發(fā)現(xiàn)一種，他們就改變它，使它更具有粘性。一旦他們開發(fā)并表征了這種新型材料，他們就能制備硅陽極，使用傳統(tǒng)工藝就行，而且可在電池中測試它們。
伯克利實驗室小組的陽極已測試了650多個充電周期。它們保持的存儲容量為每克1400毫安時，比傳統(tǒng)陽極存儲的300左右高多了。完整的電池包含這種陽極，可存儲的總能量提高約30％以上，這是對比商用鋰離子電池而言。通常情況下，電池容量每年提高約5％，劉高說。他說，他們測試粘結(jié)劑，已用過其它電池陽極，包括錫制成的電池，也有類似的潛力和問題，并認為它應(yīng)該適用于任何此類材料。
這些電池的存儲容量幾乎同樣好，就像那些制備時采用純硅納米線，不用粘結(jié)劑的，崔毅（Yi Cui）說，他是斯坦福大學（Stanford）材料科學與工程教授，也是阿姆普留斯公司聯(lián)合創(chuàng)始人。這令人印象深刻，他說，因為考慮到粘結(jié)劑不存儲任何鋰。
劉高的小組目前正與3M公司的研究人員合作，進行這種陽極研究。3M正在擴大生產(chǎn)的硅基電池材料，根據(jù)設(shè)計，充電時不膨脹那么多，凱文•愛博門（Kevin Eberman）說，他正在開發(fā)電池材料產(chǎn)品，就在明尼蘇達州（Minnesota）圣保羅市（St. Paul）的3M電子公司（3M Electronics）。但是，為了使它們有效，好的粘合劑是關(guān)鍵。這家公司給伯克利實驗室的小組提供了一些材料，進行測試。劉高說，伯克利小組已獲得這些粘合劑的專利，并與少數(shù)幾家公司商談各種途徑，進行商業(yè)化。
