鋰離子電池電極連在一起，采用一種新的高導(dǎo)電材料，就會(huì)具有更高的存儲(chǔ)容量，這一進(jìn)展最終可增加電動(dòng)汽車的行程，延長(zhǎng)智能手機(jī)電池的使用壽命，又不會(huì)增加它們的成本。不同于許多高容量電極，就是在過(guò)去幾年開(kāi)發(fā)的那些，這些電極制備時(shí)所采用的設(shè)備，都見(jiàn)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(dǎo)電性的高分子粘結(jié)劑，可用于結(jié)合硅、錫和其他材料，儲(chǔ)存大量能量，但通常不穩(wěn)定。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人員精心設(shè)計(jì)了這種新的高分子粘結(jié)劑，并用它制成硅陽(yáng)極，用于可充電鋰離子電池，存儲(chǔ)容量提高了30％，這是對(duì)比今天市場(chǎng)上的那些而言。它也更穩(wěn)定，耐久，勝過(guò)以前開(kāi)發(fā)的電極。
鋰離子電池充電時(shí)，鋰離子被吸到一個(gè)電極上，稱為陽(yáng)極。陽(yáng)極可容納的鋰越多，電池可儲(chǔ)存的能量就越多。硅是最有前途的一種陽(yáng)極材料：它可存儲(chǔ)的鋰比石墨多10倍以上，用它制備的陽(yáng)極，就用于今天市場(chǎng)上的鋰離子電池。“石墨吸收鋰就像一塊海綿，會(huì)保持形狀，但硅更像一個(gè)氣球，”劉高（Gao Liu）說(shuō)，他是伯克利實(shí)驗(yàn)室環(huán)境能源技術(shù)部研究員。
不過(guò)，因?yàn)楣桕?yáng)極膨脹和收縮，改變體積達(dá)三或四倍，因?yàn)樗鼈円潆姾头烹?，這樣，電池容量日久會(huì)退化。劉高說(shuō)，“經(jīng)過(guò)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(yáng)極不能導(dǎo)電。
有一個(gè)方法是針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，就是構(gòu)建這些陽(yáng)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(dòng)，因?yàn)殇嚂?huì)進(jìn)入和退出。正在對(duì)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(yáng)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(shí)要用粘結(jié)劑，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的工藝，可降低成本。伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員認(rèn)為，關(guān)鍵是，使這種新電池材料像硅一樣有效，就要堅(jiān)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(dǎo)電性，適應(yīng)陽(yáng)極惡劣環(huán)境，而且可以拉長(zhǎng)收縮，因?yàn)殛?yáng)極會(huì)膨脹縮小。
這種先進(jìn)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(shuō)，他是德雷克塞爾大學(xué)（Drexel University）材料科學(xué)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(cuò)誤”，例如，選擇的聚合物失去了導(dǎo)電性，所在各種條件都見(jiàn)于陽(yáng)極。他曾與理論化學(xué)家提出的一系列聚合物，電氣性能都適合這項(xiàng)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(kāi)發(fā)并表征了這種新型材料，他們就能制備硅陽(yáng)極，使用傳統(tǒng)工藝就行，而且可在電池中測(cè)試它們。
伯克利實(shí)驗(yàn)室小組的陽(yáng)極已測(cè)試了650多個(gè)充電周期。它們保持的存儲(chǔ)容量為每克1400毫安時(shí)，比傳統(tǒng)陽(yáng)極存儲(chǔ)的300左右高多了。完整的電池包含這種陽(yáng)極，可存儲(chǔ)的總能量提高約30％以上，這是對(duì)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(shuō)。他說(shuō)，他們測(cè)試粘結(jié)劑，已用過(guò)其它電池陽(yáng)極，包括錫制成的電池，也有類似的潛力和問(wèn)題，并認(rèn)為它應(yīng)該適用于任何此類材料。
這些電池的存儲(chǔ)容量幾乎同樣好，就像那些制備時(shí)采用純硅納米線，不用粘結(jié)劑的，崔毅（Yi Cui）說(shuō)，他是斯坦福大學(xué)（Stanford）材料科學(xué)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(shuō)，因?yàn)榭紤]到粘結(jié)劑不存儲(chǔ)任何鋰。
劉高的小組目前正與3M公司的研究人員合作，進(jìn)行這種陽(yáng)極研究。3M正在擴(kuò)大生產(chǎn)的硅基電池材料，根據(jù)設(shè)計(jì)，充電時(shí)不膨脹那么多，凱文•愛(ài)博門(mén)（Kevin Eberman）說(shuō)，他正在開(kāi)發(fā)電池材料產(chǎn)品，就在明尼蘇達(dá)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(shí)驗(yàn)室的小組提供了一些材料，進(jìn)行測(cè)試。劉高說(shuō)，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(jìn)行商業(yè)化。
