三层电极结构设计提高锂离子电池能量密度30％

哥伦比亚大学材料科学与工程学院的助理教授杨远开发了一种提高锂离子电池能量密度的全新方法。他的三层结构电极能在裸露的空气环境中保持稳定，因而使得电池电量更加持久、制造成本进一步降低。该研究可以将锂离子电池的能量密度提高10-30%，相关论文于十月初发表在了《NanoLetters》期刊上。

石墨/pMMA/Li三层电极在电池电解质中浸泡24小时之前(左)和之后(右)的比较。在浸入电解质之前，三层电极在空气中是稳定的。浸泡后，锂与石墨反应，颜色变黄。图片来源：哥伦比亚大学

当锂离子电池第一次充电时，它们在第一个循环就损失了高达5-20%的能量，杨远说道，通过结构的改进，我们已经能够防止这种损失。同时，我们的方法在新增电池寿命方面有巨大潜力，有望应用于便携式电子设备和电动汽车。

在被生产出来之后的第一次充电期间，锂离子电池中的一部分电解质会因还原反应，从液态变为固态，并附着在电池的负极上。这个过程是不可逆的，会降低电池的存储能量。

在现有的电极制造技术下，这一过程来带的损失约为10%，但是关于具有高容量的下一代负极材料，例如硅，损耗则将达到20-30%，这是将大大降低电池的实际可用容量。

为了补偿这样的初始损耗，传统的方法是在电极中加入某些富锂材料。然而，由于这类材料大多在空气环境中不稳定，因此必须在完全没有水分的干燥空气里制造，故而大幅新增了电池的制造成本。

杨远开发的这种三层电极结构则确保了电极完全可以在普通空气环境下完成制造。

首先，他使用了一层pMMA(即常见的有机玻璃材料)，来隔绝锂与空气和水分的接触;然后在pMMA聚合物上加一层人造石墨或硅纳米颗粒等活性材料;最后，他让pMMA聚合物层溶解在电池电解质中，从而将锂与电极材料导通。

杨远解释说：这样我们就可以防止不稳定的锂和锂化电极间的空气接触。采用该结构的电极可以在普通空气环境下完成，更容易实现电池电极的量产。

三层结构电极的生产过程：pMMA在初始状态下确保锂不会与空气中的水分发生反应。当pMMA被电池电解质溶解后，石墨与锂接触以补偿由于电解质的还原而引起的初始损耗。图片来源：哥伦比亚大学

杨远的方法将现有石墨电极的损耗从8%降低到0.3%，将硅电极的损耗从13%降低到-15%(负数表示由于添加了新的锂材料，导致电池的容量教初始状态还有了新增)。过量的锂可以补偿随后循环中的容量损失，因此可以进一步增强电池的循环寿命。

锂离子电池的能量密度(或者叫容量)在过去的25年中一直保持着5-7%的年上升率，而杨远研究成果给进一步提高这个上升率供应了可行性方法。他的团队现在正在努力减少pMMA涂层的厚度，以降低其在锂离子电池中的比例更低，并争取实现工业化生产。

耶鲁大学的化学助理教授王海良说：三层电极结构的设计十分巧妙，能够在普通空气环境下生产含锂金属的电极。电极的初始库仑效率一直是锂离子电池行业的一大难题，因此这种简单有效的补偿技术必将引起人们极大的兴趣。