锂离子电池的又一次“瘦身”

拥有每年270亿美元的销售额,锂离子电池毫无疑问是充电电池市场的主导者。不过,人们总是希望能做到更好。现在,科学家报告说他们运用纳米技术可以大大增强锂离子电池的储电能力,或者在保持现有储能水平的条件下大大减轻电池重量。这项新的成果可以带来更小型的笔记本电脑、更远行程的电动汽车等大量的应用。

在传统的充电电池中,带正电的锂离子储存在碳基的阳极上,随着电池放电流动到阴极。这项技术的优点是碳在多次充放电之后仍能保持轻量和耐用,而缺点是6个碳原子才能支持1个锂离子。最近,研究人员尝试用晶体硅制作阳极,每个硅原子可以支持大约4个锂原子,理论上将能提高储能效率。

2007年,美国斯坦福大学的材料科学家崔屹领导的小组就是这么做的。他们使用晶体硅纳米线制作阳极,这种材料非常纤细,因此膨胀和伸缩造成的损失较小。这种电池可以存储10倍于传统锂离子电池的充电量。但问题是晶体材料在多次充放电后损坏,并最终断裂,电池亦因此损坏。

因此在最近的研究中,崔屹的研究小组用外层覆盖了非晶硅的碳纳米线取代了脆弱的硅纳米线。碳芯固有的稳定性使得研究人员可以让非晶硅带满锂离子。结果,这种新的碳—硅混合阳极拥有了6倍于传统全碳阳极的充电能力,早期的测试中,它们也比全硅阳极表现的更稳固。该结果发表在即将出版的《纳米快报》上。利用这项成果,电池公司最终将能生产出更轻量的电池,这也是将来制造电动汽车的关键。崔屹指出,电池公司还可以在保持电池重量的条件下,新增50%的储电量。

得克萨斯大学材料化学家、电池专家ArumugamManthiram对这项成果评价很高。但他同时表示,由于这种新型材料还必须同电池中的其他组件结合在一起并证实其廉价、安全、能快速充电,因此,这项成果将在多大程度上改进今后的电池目前还不明确。这是一个非常有挑战性的工作。Manthiram说,这也是为何电池科技进步得这么慢的原因。